高羊茅中光质依赖的碳分配：整合转录组学与代谢组学证据

《Environmental and Experimental Botany》：Light quality-dependent carbon allocation in tall fescue: Integrated transcriptomic and metabolomic evidence

　　

光质作为植物光环境中最重要的调控因子之一，不仅在不同波长下为光合作用提供能量，还系统性调控光合过程、形态建成及代谢重编程，从而影响植物资源利用模式与生长策略。随着LED照明在设施农业和草坪管理中的广泛应用，不同光质在调控植物生长发育与品质形成中的作用日益受到关注。大量研究表明，不同光波长可通过调控光合作用、气孔行为和叶片结构性状影响植物生长模式与碳同化。其中，红光一般与生物量积累和形态建成密切相关，而蓝光在气孔调节、光合电子传递和叶片形态建成中发挥重要作用。近年研究进一步表明，蓝光可通过诱导保卫细胞质膜H?-ATPase的磷酸化依赖性激活，增强气孔导度并改善CO?的扩散供应，从而提高瞬时光合能力。与红蓝光相比，绿光在早期研究中被认为对光合作用贡献较小，但近年越来越多的证据显示，绿光在叶片组织内具有相对较强的穿透能力，可改变叶片内部光能分布并参与光信号过程，从而对植物生理与代谢产生重要影响。在实际生产系统中，红蓝组合光常被用于平衡光合效率与形态稳定性。然而，不同光质及其组合对植物代谢过程，特别是碳利用特性和碳库组成的影响仍存在较大差异，其潜在机制尚待进一步阐明。 碳代谢是光质调控草坪草生长发育的重要生理过程。研究表明，光合能力的增强并不必然导致可溶性糖或结构性碳的同步增加。当植物处于库限制或碳分配受限状态时，额外固定的碳可能优先用于呼吸、转运和临时储存，或受到反馈调节的限制，导致光合增强与糖和结构性碳积累之间出现解偶联。在多种植物中，蓝光或红蓝光下光合能力的增加并不总是伴随可溶性糖、结构组分或生物量的成比例增加，表明植物对光质的响应还取决于同化碳的后续利用与分配。在植物中，非结构性碳（NSC）主要包括可溶性糖和淀粉，是光合固定碳周转、临时储存和缓冲的主要库，不仅为植物生长和代谢提供即时碳源，还有助于在光照、温度和水分的环境变化中维持碳供需平衡。结构性碳（SC）主要由细胞壁相关组分组成，包括纤维素、半纤维素、果胶和木质素，决定植物组织的机械特性和长期稳定性。碳在NSC周转库与结构组分之间的分配被认为是植物"快速生长"与"结构强化"之间权衡的重要生理基础。然而，光质是否通过调控这一分配过程塑造植物生长策略，以及其背后的转录和代谢机制，仍认识不足。 在分子和代谢水平上，核苷酸糖（UDP-糖）被认为是连接中心糖代谢与细胞壁多糖生物合成的关键中间体。以UDP-葡萄糖为中心的核苷酸糖供体网络通过一系列互变反应，为果胶和半纤维素等细胞壁多糖的生物合成提供直接底物，其供应能力被认为与光合固定碳持续掺入结构组分合成密切相关。近年研究进一步表明，中心糖代谢与核苷酸糖供应之间的协调在不同环境条件下可能有所不同，从而产生不同的碳利用模式。然而，不同光质是否在光合能力、碳组分特征及这些下游代谢过程之间产生协调或分化的响应，仍知之甚少。整合转录组学与代谢组学分析因此为区分光质特异性分子模式中的共同响应提供了机会。 作为多年生禾本科植物，草坪草的生长速率、组织结构和维持成本高度依赖于其碳分配策略。现有研究主要集中于光质对草坪草光合特性和形态建成的影响，但不同光质下光合能力的变化是否伴随整株碳积累及叶片非结构性和结构性组分的相应变化仍不清楚，这些生理差异是否伴随共同或处理特异性的转录组和代谢组响应也尚不明确。据此，本研究以高羊茅（Festuca arundinacea）为试验材料，综合分析不同光质条件下的生长性状、光合特性、碳组分构成、转录组响应和代谢组谱。通过整合这些数据集，旨在确定不同光质如何影响光合能力、整株碳积累与叶片碳组分特征之间的关系，并鉴定相关的通路水平转录和代谢响应。该工作为理解草坪草中光质依赖的碳组分响应提供了生理学和多组学证据。

一、研究背景与科学问题

光质作为植物光环境中最重要的调控因子之一，不仅在不同波长下为光合作用提供能量，还系统性调控光合过程、形态建成和代谢重编程，从而影响植物资源利用模式与生长策略。随着LED照明在设施农业和草坪管理中的广泛应用，不同光质在调控植物生长发育与品质形成中的作用日益受到关注。红光一般与生物量积累和形态建成密切相关，蓝光在气孔调节、光合电子传递和叶片形态建成中发挥重要作用，绿光则具有较强穿透能力并可参与光信号过程。然而，不同光质及其组合对植物代谢过程，特别是碳利用特性和碳库组成的影响仍存在较大差异，其潜在机制尚待阐明。

碳代谢是光质调控草坪草生长发育的重要生理过程。研究表明，光合能力的增强并不必然导致可溶性糖或结构性碳的同步增加，当植物处于库限制或碳分配受限状态时，额外固定的碳可能优先用于呼吸、转运和临时储存，导致光合增强与糖和结构性碳积累之间出现解偶联。非结构性碳（NSC）主要包括可溶性糖和淀粉，是光合固定碳周转、临时储存和缓冲的主要库；结构性碳（SC）主要由细胞壁相关组分组成，包括纤维素、半纤维素、果胶和木质素，决定植物组织的机械特性和长期稳定性。碳在NSC周转库与结构组分之间的分配被认为是植物"快速生长"与"结构强化"之间权衡的重要生理基础。在分子水平上，核苷酸糖（UDP-糖）是连接中心糖代谢与细胞壁多糖生物合成的关键中间体，其供应能力与光合固定碳持续掺入结构组分合成密切相关。

现有研究主要集中于光质对草坪草光合特性和形态建成的影响，但不同光质下光合能力的变化是否伴随整株碳积累及叶片非结构性和结构性组分的相应变化仍不清楚，这些生理差异是否伴随共同或处理特异性的转录组和代谢组响应也尚不明确。据此，本研究以高羊茅（Festuca arundinacea）为试验材料，综合分析不同光质条件下的生长性状、光合特性、碳组分构成、转录组响应和代谢组谱，旨在确定不同光质如何影响光合能力、整株碳积累与叶片碳组分特征之间的关系，并鉴定相关的通路水平转录和代谢响应。该研究发表在《Environmental and Experimental Botany》。

二、主要技术方法

研究在北京林业大学植物生长室开展，以高羊茅品种"交战4号"为材料，设置白光（W）、红光（R）、蓝光（B）、绿光（G）和红蓝组合光（RB，红:蓝=7:1）五种光质处理，光合光子通量密度（PPFD）维持在260 μmol·m?2·s?1，光周期14h/10h，处理35天。主要技术方法包括：生长性状与形态指标测定（NDVI、草坪颜色、叶片性状、根系构型、干物质积累）；光合参数测定（叶绿素含量、气体交换参数Pn、Gs、Ci、Tr及叶绿素荧光参数Fv/Fm、ETR、NPQ、ΦPSII）；抗氧化酶活性与丙二醛（MDA）含量测定；总碳、总氮及碳组分含量测定（元素分析仪及相应试剂盒）；转录组测序（Illumina NovaSeq 6000平台，PE150，每处理3个生物学重复）；代谢组检测（UPLC-QTOF-MS，每处理6个生物学重复）；qPCR验证。

三、研究结果

3.1 不同光质对高羊茅生长和生理的影响

红光处理下NDVI和草坪颜色评分相对较高，绿光处理最低。蓝光处理显著增加了叶宽、叶面积及根系形态性状（根长、根表面积、根体积），叶片和根系干物质也维持在较高水平。光合性能方面，蓝光处理显著增强了光合能力，叶绿素含量、净光合速率（Pn）和电子传递速率（ETR）维持在较高水平，而绿光处理显著降低了叶绿素含量、Pn、Fv/Fm和ΦPSII。红蓝组合光处理下多数光合参数处于中间水平。抗氧化系统方面，红蓝组合光显著提高了APX、CAT、POD和SOD活性，而蓝光和绿光处理下APX和SOD水平相对较低。所有光质处理均显著降低了叶片MDA含量。

3.2 不同光质对高羊茅碳组分的影响

蓝光处理导致较高的根碳含量、地上部碳库和整株碳库，而绿光处理下这些指标普遍较低。根冠碳比在红光和红蓝组合光下相对较高，绿光下最低。碳组分方面，红光处理下淀粉和木质素含量相对较高，蓝光处理下淀粉、纤维素和半纤维素含量较低。绿光处理显著增加了可溶性糖和纤维素含量，而蔗糖含量在红蓝组合光下最高。结构性碳与非结构性碳之比（SC/NSC）在蓝光下最高，在红光、绿光和红蓝组合光下显著降低。

3.3 不同光质下高羊茅叶片的转录组分析

共获得15个转录组数据集，PCA分析清晰分离了五种光质处理。以FDR<0.01且|log?FC|≥1为阈值，在R vs W、B vs W、G vs W和RB vs W中分别鉴定出1566、1482、1644和3195个差异表达基因（DEGs），其中红蓝组合光处理转录响应最大（2838个上调、357个下调）。基于排序的KEGG富集分析显示，红光和蓝光处理下光合作用、光合天线蛋白和碳固定显著正富集，绿光处理下淀粉和蔗糖代谢及苯丙烷生物合成负富集，红蓝组合光处理下光合作用、碳固定、糖酵解和磷酸戊糖途径负富集，而氧化磷酸化和谷胱甘肽代谢正富集。qRT-PCR验证了转录组结果的可靠性。

3.4 不同光质下高羊茅叶片的代谢组分析

PCA分析显示不同光质处理在代谢组水平上明显分离。以FDR<0.05、|log?FC|≥1且VIP≥1为阈值，在R vs W、B vs W、G vs W和RB vs W中分别鉴定出356、660、608和368个差异积累代谢物（DAMs）。KEGG分析显示，绿光处理下黄酮生物合成及黄酮和黄酮醇生物合成显著负富集，红蓝组合光处理下不饱和脂肪酸生物合成显著正富集。

3.5 生理、转录组和代谢组的整合分析

整合分析显示不同光质处理下生理、转录组和代谢组响应存在差异。红光处理下淀粉、半纤维素、木质素和草坪质量相对较高，转录组水平光合作用和碳固定显著正富集，但碳水化合物和核苷酸糖相关通路在代谢组水平响应较弱。蓝光处理下叶绿素含量、Pn、ETR和整株碳积累相对较高，但叶片NSC和结构性碳组分未同步增加，碳固定在转录组水平正富集而在代谢组水平呈相反的非显著趋势。绿光处理下光合和生长性能较低，苯丙烷生物合成在转录组水平显著负富集，黄酮生物合成在代谢组水平显著负富集。红蓝组合光处理下蔗糖含量和抗氧化酶活性较高，氧化磷酸化和谷胱甘肽代谢在转录组水平显著正富集，光合作用和碳固定负富集，不饱和脂肪酸生物合成在转录组和代谢组中均显著正富集。

四、讨论与结论

讨论部分指出，不同光质不仅改变了高羊茅的光合碳同化水平，还影响了后续生长和生理调控过程。蓝光增强了碳同化，但未赋予整体表型表现的显著优势；红光更有利于维持冠层形态；红蓝组合光在生长和生理调控方面表现出相对均衡的响应；绿光则表现为碳同化和促生长能力相对有限。碳库组成方面，蓝光下额外同化的碳主要反映在整株碳库水平而非叶片NSC或结构组分浓度的同步增加；红光下淀粉、半纤维素和木质素维持在较高水平，显示出与组织稳定性和冠层形态建成更相关的碳组分特征；红蓝组合光以较高的转运糖水平为特征，在NSC、SC和蔗糖相关性状间保持相对平衡；绿光下整体碳积累较低，各碳组分间变化不均匀。整合多组学分析表明，不同光质下碳组分响应并非由单一共同糖代谢通路所主导，而是涉及光合与碳代谢、苯丙烷/黄酮代谢、能量/氧化还原及脂质相关过程的不同模式。

研究结论表明，不同光质通过改变整株碳积累和叶片碳组分构成，塑造了高羊茅中光质依赖的碳分配策略。蓝光增强光合能力但未伴随叶片碳组分的同步增加，红光维持较高的淀粉、半纤维素、木质素和草坪质量，红蓝组合光表现出较高的蔗糖含量和抗氧化酶活性，多组学分析显示处理特异性响应而非单一共同通路。该研究为理解草坪草中光质依赖的碳组分响应提供了生理学和多组学证据。