芝麻萌发期耐热性分子响应的转录组学与代谢组学联合分析

《Frontiers in Plant Science》：Combined transcriptomics and metabolomics analysis reveals the molecular responses of heat tolerance during germination stage in sesame

　　

摘要：芝麻是一种重要的油料作物，但在全球气候变暖背景下，其萌发期生长日益受到高温胁迫的限制。然而，芝麻萌发期耐热性背后的分子响应机制仍不清楚。本研究比较了耐热基因型（G14）和热敏感基因型（G9）在不同时长高温处理下的表型、代谢组学及转录组学特征。结果表明，在正常及高温胁迫条件下，G14均比G9维持更好的生长状态，且在高温下优势更为显著。在高温胁迫下，G14积累了较低水平的过氧化氢（H₂O₂），表明其氧化损伤较轻、耐热性增强。代谢组学分析显示，G14中的差异积累代谢物（differentially accumulated metabolites，DAMs）主要富集于脂质代谢、抗氧化系统和次生代谢通路，并在高温胁迫早期被激活且持续维持。相比之下，G9中的DAMs主要与激素信号转导、碳代谢、能量代谢和维生素代谢相关。转录组学分析进一步表明，高温胁迫诱导了广泛的基因表达变化。KEGG富集分析提示，G14中的差异表达基因（differentially expressed genes，DEGs）主要涉及维持光合作用、蛋白质加工和脂质代谢等关键生理过程，而G9中的DEGs则主要与防御和信号转导通路相关。代谢组学与转录组学整合分析支持上述模式，并表明基因表达与代谢变化之间存在密切协同。转录因子分析鉴定出ERF和bHLH家族成员为芝麻热胁迫响应的候选转录因子。这些发现为解析芝麻萌发期耐热性的分子响应机制提供了新的见解。

论文解读：芝麻萌发期耐热性分子机制的多组学解析

一、研究背景与科学问题

全球气候变暖日益加剧，高温胁迫已成为威胁作物生产力的主要非生物胁迫因子。据估算，全球温度每升高1°C，玉米、小麦、大豆和水稻的产量将分别减少7.4%、6.0%、6.9%和1.2%（Hu et al., 2024）。同时，全球人口预计在2050年达到100亿，农业生产力需提高60%才能满足粮食需求（Ma et al., 2025）。因此，解析作物耐热机制对保障未来粮食安全至关重要。

高温胁迫在多个层面破坏细胞稳态：在生理水平上损伤光系统II、降低色素含量、改变叶绿体结构并抑制光合作用；同时削弱膜稳定性、导致蛋白质错误折叠、引发活性氧（reactive oxygen species，ROS）过度积累，造成氧化损伤甚至细胞死亡。为应对这些胁迫，植物演化出复杂的信号网络，包括钙信号、磷脂途径和丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）级联反应等，调控胁迫相关基因表达并重塑代谢途径。

芝麻（*Sesamum indicum* L.）是世界上最古老的油料作物之一，其种子含油量可高达63%，高于花生（45%~56%）、向日葵（约45%）等多种主要油料作物。芝麻生长周期短（70~90天）、单株种子产量高（每株约6000粒）、基因组相对较小（354 Mb），是研究植物胁迫响应和农艺性状的良好模式作物（Zhang et al., 2019）。然而，尽管芝麻主要在夏季热带和亚热带地区种植，表现出相对较强的抗旱耐热性，温度超过42°C仍会严重抑制其生长并降低产量（Nimmakayala et al., 2011）。已有研究表明，耐热芝麻品种主要通过调节激素信号通路和热激蛋白（heat shock protein，HSP）基因来提高耐热性，在高温胁迫下表现出更高的抗氧化能力、更高的生长素水平和更低水平的脱落酸（abscisic acid，ABA）（Su et al., 2022，2024）。然而，芝麻萌发期耐热性的分子基础尚不清楚。基于已有研究和预实验，本研究以44°C为高温胁迫条件，鉴定出耐热基因型G14和热敏感基因型G9，从表型、代谢组和转录组水平系统解析了芝麻萌发期耐热性的分子机制。

二、研究设计与技术方法

研究人员以江西省农业科学院作物研究所提供的耐热基因型（G14）和热敏感基因型（G9）为材料。种子经表面消毒、浸泡后在30°C、70%相对湿度、黑暗条件下萌发6天。表型分析在44°C处理7天后记录拍照；转录组和代谢组分析则对正常条件下生长7天的幼苗进行44°C处理0小时、12小时和24小时取样。共设置12个样本组：G14地上部（G14-S0、S12、S24）、G14根部（G14-R0、R12、R24）、G9地上部（G9-S0、S12、S24）和G9根部（G9-R0、R12、R24）。

主要技术方法包括：使用商业试剂盒测定H₂O₂含量；基于Illumina平台进行转录组测序，经FASTP质控、HISAT2比对到芝麻参考基因组，StringTie定量基因表达水平（FPKM），DESeq2鉴定差异表达基因（|log₂FC| > 1，FDR < 0.05）；利用超高效液相色谱-四极杆-静电场轨道阱质谱联用系统进行非靶向代谢组学分析，使用metaX软件进行PCA和PLS-DA分析，以VIP > 1、p < 0.05、FC ≥ 2或≤ 0.5筛选差异积累代谢物；通过KEGG数据库进行通路富集分析；采用RT-qPCR验证转录组数据；整合DEGs与DAMs共同富集的KEGG通路进行多组学关联分析；利用TBtools-II对差异表达转录因子进行可视化。

三、研究结果

3.1 不同温度对芝麻幼苗的影响

在30°C正常条件下，G14的株高和根长分别比G9高15.71%和14.45%。在44°C高温胁迫下，两个基因型生长均受抑制，但G9的株高和根长分别较G14降低38.07%和67.65%。在高温胁迫下，G9地上部的H₂O₂含量在对照、12小时和24小时分别比G14高49.16%、50.82%和21.12%；根部H₂O₂含量在对照条件下G9比G14高21.6%，但胁迫后无显著差异。这表明G14生长表现优于G9，氧化胁迫水平更低。

3.2 差异代谢物的定量分析

在正离子模式下，G14地上部在12小时和24小时分别检测到206个和297个差异代谢物，根部为211个和294个；G9地上部为308个和333个，根部为281个和286个。负离子模式下，G14地上部为200个和210个，根部为185个和249个；G9地上部为194个和228个，根部为221个和247个。G9在各时间点的差异代谢物数量均多于G14，且多数下调。两个基因型间的重叠代谢物较少，表明它们采用了不同的代谢应对策略。

3.3 差异代谢物的KEGG富集分析

在正离子模式下，两个基因型地上部在12小时共同富集了亚油酸代谢、α-亚麻酸代谢和谷胱甘肽代谢等脂质代谢和抗氧化通路。G14还富集了萜类骨架生物合成、不饱和脂肪酸生物合成和花生四烯酸代谢等脂质重塑及次生代谢通路；G9则更显著富集了淀粉和蔗糖代谢、植物激素信号转导和抗坏血酸酯代谢等碳水化合物代谢、激素信号和维生素代谢通路。24小时后，G14持续富集脂肪酸相关通路和半胱氨酸及蛋氨酸代谢；G9则与肌醇磷酸代谢、磷脂酰肌醇信号和氨基酸代谢更相关。根部结果与地上部趋势一致，G14在24小时仍维持脂肪酸生物合成和不饱和脂肪酸生物合成等脂质通路富集，G9则更多富集谷胱甘肽代谢等抗氧化通路。

3.4 差异基因的定量分析

转录组测序共获得1,567,075,514条高质量clean reads，36个样本的平均测序深度超过20×，Q30值均超过96.5%，比对率超过85%。PCA分析显示，前两个主成分解释了总变异的73.85%，热胁迫样本与对照样本明显分离。G14地上部在12小时和24小时分别有5,728个和6,518个DEGs，根部为3,918个和7,548个；G9地上部为6,140个和7,669个，根部为4,145个和8,776个。G9的DEGs数量在两种组织、两个时间点均高于G14。两个基因型在地上部和根部各鉴定出2,716个和2,121个共同DEGs，可能构成热胁迫响应的核心调控网络。

3.5 差异基因的KEGG富集分析

在12小时，G14和G9地上部均显著富集光合天线蛋白、马达蛋白、内质网蛋白质加工和DNA复制等通路。G14特异富集光合作用和苯丙烷生物合成；G9则富集植物-病原互作、二萜生物合成、植物激素信号转导和类胡萝卜素生物合成。24小时时，两个基因型共同富集苯丙烷生物合成、光合作用、酪氨酸代谢和植物-病原互作。G14持续富集马达蛋白、内质网蛋白质加工和异喹啉生物碱生物合成；G9主要富集光合天线蛋白和植物激素信号转导。根部在12小时共同富集蛋白质加工、次生代谢、ABC转运蛋白和昼夜节律等通路；G14额外富集甘油脂代谢和苯丙烷生物合成，G9则富集碳水化合物代谢、萜类生物合成和激素相关过程。24小时时，两个基因型共同富集苯丙烷生物合成、黄酮生物合成和糖酵解/糖异生等；G14进一步富集光合作用、脂肪酸降解和倍半萜及三萜生物合成，G9则富集碳代谢、丙酮酸代谢和半乳糖代谢。

3.6 代谢组与转录组整合分析

在正离子模式下，12小时时两个基因型地上部共同富集亚油酸代谢、谷胱甘肽代谢和α-亚麻酸代谢等脂质代谢和抗氧化通路。G14额外富集萜类骨架生物合成、不饱和脂肪酸生物合成、花生四烯酸代谢、氨基酰-tRNA生物合成和ABC转运蛋白；G9更富集抗坏血酸酯代谢、淀粉和蔗糖代谢、肌醇磷酸代谢和植物激素信号转导。24小时时共同通路包括苯丙烷生物合成、半乳糖代谢、亚油酸代谢和谷胱甘肽代谢等；G14进一步富集脂肪酸生物合成、二萜生物合成和鞘脂代谢，G9则与肌醇磷酸代谢、磷脂酰肌醇信号和氨基酸代谢更相关。根部结果显示，G14在12小时富集亚油酸代谢、鞘脂代谢和苯丙烷生物合成；G9则富集淀粉和蔗糖代谢、脂肪酸生物合成和谷胱甘肽代谢。24小时时，G14维持脂肪酸生物合成和不饱和脂肪酸生物合成通路富集，G9增加谷胱甘肽代谢、α-亚麻酸代谢和抗坏血酸酯代谢等抗氧化通路。负离子模式结果与正离子模式总体一致，但能量代谢通路更为突出。

3.7 差异表达转录因子分析

地上部中，G14在12小时和24小时分别鉴定出652个和827个差异表达转录因子，G9为705个和1,068个。根部中，G14为377个和1,068个，G9为446个和1,362个。ERF家族最为丰富，其次为bHLH家族，两个家族在上下调转录因子中均占较大比例。随着胁迫时间延长，差异表达转录因子数量增加，根部比地上部更多，表明根部在热胁迫下具有更强的转录调控响应。

3.8 DEGs的RT-qPCR验证

研究人员选取了2个谷胱甘肽代谢相关基因（105159842， 105168386）和4个ERF/bHLH转录因子基因进行RT-qPCR验证。结果显示，这6个基因的表达趋势与RNA-seq结果基本一致，证实了转录组数据的可靠性。

四、讨论与结论

研究结果表明，耐热基因型G14通过早期持续激活脂质代谢、抗氧化系统和次生代谢通路，维持光合作用和蛋白质加工等核心生理过程的稳态，从而获得更强的耐热性。而热敏感基因型G9则表现出向激素信号、碳和能量代谢及维生素生物合成的更广泛调控转变，优先激活防御反应而非维持生长。ERF和bHLH转录因子家族的差异表达表明它们可能与基因型特异性的热胁迫响应相关。本研究也存在一些局限性：仅分析两个基因型，样本数量有限，未进行加权基因共表达网络分析（WGCNA）；候选基因和代谢物的功能未通过实验验证；仅关注短期热胁迫效应。未来研究应包括更多不同耐热水平的基因型，对脂质代谢、抗氧化系统和相关转录因子进行功能验证，并整合多组学数据与生理指标（特别是膜稳定性和氧化损伤指标），以更全面理解热胁迫响应机制，为培育耐热芝麻品种提供理论依据。