近日，吉林农业大学林学与草学学院赵曦阳教授团队在国际知名期刊《BMC Plant Biology》（中国科学院二区，TOP期刊，IF：4.3）发表了题为“Comprehensive physiological, transcriptomic, and metabolomic analyses revealed the regulation mechanism of evergreen and cold resistance of Pinus koraiensis needles”的研究论文。该研究通过生理指标、转录组和代谢组学分析，对红松针叶年周期变化的动态响应机制进行了解析。
红松（Pinus koraiensis）是通过自然演替成功建立的先锋树种，群体结构稳定，环境适应性强，具有极高的生态效益和经济价值。本研究共采集12个月的红松针叶样品，测定了叶绿素、脯氨酸和抗氧化酶等生理指标。此外，选择了6个时期的针叶样品进行了转录组和代谢组学测序，采用时间梯度法探究红松针叶季节适应性的关键调控因子，揭示了针叶应对外界环境变化的动态响应机制。
1.针叶生理指标变化
在红松针叶年生长周期过程中，叶绿素含量在7~9月达到峰值，而类胡萝卜素含量主要积累在3月。Pro、POD、MDA含量在整个过程中也有显著变化，说明这些生理指标的积累可能有助于针叶在生长过程中抵抗非生物胁迫。
图1. 生理指标
2.转录组分析
本研究选择2月（S1）、4月（S2）、6月（S3）、8月（S4）、10月（S5）和12月（S6）的样品用于转录组和代谢组学测序。主成分分析结果显示，所有样本被分为四个部分，分别为S1和S6、S2、S3和S4、S5。此外，转录组测序在S1vs.S6（冬季）、S2vs.S3（春季）、S3vs.S4（夏季）、S4vs.S5（秋季）分组中分别鉴定出1887、11778、2652和18291个差异表达基因。而在4个分组中，均存在Cluster-34497.1等26个差异表达基因，这些基因在S1和S4时期有相对较高的表达，并主要富集在植物-病原体相互作用和MAPK信号途径等代谢通路。
图2. 差异表达基因分析
3.代谢组分析
为了探究针叶年生长周期内代谢物含量的变化，进行了LC-MS/MS广泛靶向代谢组学分析。共鉴定出1882种代谢物，主要分为黄酮类化合物（469种, 24.92%）、萜类化合物（211种, 11.21%）、酚酸类化合物（182种, 9.67%）、脂类化合物（146种, 7.76%）、生物碱类化合物（142种, 7.55%）、木质素和香豆素类化合物（139种, 7.39%）。
图3. 差异积累代谢物分析
4.叶绿素和类胡萝卜素代谢通路
红松针叶保持常绿与叶绿素和类胡萝卜素的生物合成密切相关。本研究在叶绿素合成和降解通路中共鉴定出23个基因，蛋白互作网络分析结果显示，POR（Cluster-45487.5）基因可能是叶绿素生物合成和降解途径中的关键结构基因。类胡萝卜素合成和代谢通路中共鉴定出33个基因，其中PSY5（Cluster-50735.3）被列为关键基因。
图4. 叶绿素和类胡萝卜素代谢通路差异表达图谱
5.半乳糖、淀粉和蔗糖代谢通路
本研究共鉴定出105个差异表达基因和15种差异代谢物（棉子糖、蔗糖、蜜二糖、D-葡萄糖-6-磷酸、半乳糖、葡萄糖、D-葡萄糖-1-磷酸、乳糖、麦芽糖、海藻糖、海藻糖-6-磷酸、纤维二糖、果糖-6-磷酸、果糖和肌醇半乳糖苷）。蛋白互作共表达网络分析鉴定出10个关键的hub基因，其中AMY13（Cluster-37114.0）和pgm1（Cluster-46022.0）的表达水平比其他基因高2~10倍，表明它们可能在代谢通路中发挥关键作用。
图5. 半乳糖、淀粉和蔗糖代谢通路差异表达图谱
6.MAPK信号通路
MAPK信号通路（ko04016）在植物生长发育和抗寒性方面具有重要作用。本研究共鉴定出76个基因，不均匀的分布在H2O2、乙烯、寒冷/盐等信号途径中。其中，在冷信号途径中，MEKK1-1（Cluster-33069.0）、MEKK1-3（Cluster-49368.0）和MPK4（Cluster-43241.2）基因在S1和S6时期显著表达，表明它们可能在寒冷的冬季发挥关键调控功能。此外，结合转录组GO注释信息和网络图结果，筛选出4个和寒冷相关的关键基因，分别是MEKK1-1、MYC2-8（Cluster-50288.0）、CAT1-2（Cluster-49230.3）和MAPKKK17/18-1（Cluster-25013.4）。综上，MEKK1-1可能是导致红松针叶在冬季保持常绿的关键结构基因。
图6. MAPK代谢通路差异表达图谱
7.总结
本研究通过测定不同月份/季节红松针叶的生理指标、基因表达水平和代谢物含量发现，可溶性糖、可溶性蛋白、Pro、POD和MDA含量均有明显的季节性变化。此外，POR、PSY5、AMY13、MEKK1-1等基因被鉴定为叶绿素和类胡萝卜素代谢、糖代谢和MAPK信号通路中重要的调控因子，这些基因可能是红松针叶一年四季维持常绿和不凋落的关键基因。
图7. 红松针叶季节适应性调控机制
该论文通讯作者为吉林农业大学林学与草学学院赵曦阳教授，博士研究生李岩为论文第一作者。
原文链接：https://doi.org/10.1186/s12870-024-05924-6.
