外源海藻糖通过调控次级代谢、激素信号及转录级联增强葡萄非生物胁迫耐受性的生理与转录组学研究

《Scientia Horticulturae》：Physiological and transcriptome analysis of exogenous trehalose enhancing abiotic stress tolerance in grape

本研究针对葡萄对寒冷、盐碱和干旱等非生物胁迫耐受性较弱的问题，通过外源喷施海藻糖，结合生理指标测定和RNA-seq技术，系统解析了海藻糖增强葡萄胁迫耐受性的生理机制与分子基础。研究发现20 mM海藻糖可显著缓解胁迫引起的叶片萎蔫现象，提高可溶性糖含量，降低MDA和H2O2积累。转录组分析表明，海藻糖主要通过调控苯丙烷生物合成、黄酮类生物合成、植物激素信号转导等通路中的关键基因（如VvPALs、VvSTSs、VvPYL4）及ERF类转录因子（如VvERF105）增强胁迫适应性。该研究为葡萄抗逆栽培提供了新的理论依据和应用策略。

　　

随着全球气候变化加剧，葡萄（Vitis vinifera L.）栽培常面临寒冷、盐碱和干旱等非生物胁迫的严峻挑战。这些胁迫不仅抑制葡萄生长发育，还导致果实品质下降和产量损失。尤其在欧洲葡萄主栽品种'无核白'（Thompson Seedless）中，抗逆性较弱的问题尤为突出。目前，通过外源物质处理提升作物抗逆性已成为研究热点，其中海藻糖（Trehalose, Tre）作为一种非还原性二糖，在植物抗逆中展现巨大潜力。然而，海藻糖在葡萄中调控多重胁迫耐受性的分子机制尚不明确。为此，研究人员在《Scientia Horticulturae》上发表论文，通过生理学和转录组学联合分析，系统揭示了外源海藻糖增强葡萄非生物胁迫耐受性的作用网络。

为解析海藻糖的作用机制，研究团队首先优化了外源海藻糖喷施浓度（0、10、20、30 mM），发现20 mM海藻糖能显著缓解寒冷（-1°C）、盐（150 mM NaCl）和干旱（停止灌溉14天或10% PEG6000模拟）胁迫引起的叶片损伤。通过测定可溶性糖、丙二醛（MDA）和过氧化氢（H₂O₂）含量，证实海藻糖通过提升渗透调节物质（可溶性糖）和减轻氧化损伤（降低MDA和H₂O₂）增强抗逆性。进一步利用RNA-seq技术对24个样本（包括对照、海藻糖处理、单一胁迫及海藻糖+胁迫组合）进行转录组测序，通过差异表达基因（DEGs）筛选、GO（Gene Ontology）和KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）富集分析，挖掘关键通路和调控因子。

3.1 外源海藻糖对葡萄非生物胁迫下生理特性的影响

表型观察显示，20 mM海藻糖处理能明显减轻寒冷导致的叶片冻伤萎蔫、盐胁迫引起的叶片枯黄以及干旱引发的叶片干枯现象。生理指标检测发现，海藻糖处理显著提升可溶性糖含量，同时降低MDA和H₂O₂积累，尤其在20 mM浓度下效果最显著（图1）。

3.2 RNA-seq数据质量评估

测序共获得189.72 Gb高质量数据，各样本Q30均高于96.23%，与葡萄参考基因组（Vitis_vinifera.PN40024.v4）比对效率达93.82%以上。主成分分析（PCA）和相关性分析表明生物学重复间一致性高，数据可靠（表S2-S3，图S1-S2）。

3.3 差异表达基因筛选

共筛选到647–6485个DEGs，其中海藻糖单独处理（CK_vs_Tre）产生647个DEGs，而胁迫处理（如CK_vs_Cold）DEGs数量显著增加。胁迫与海藻糖联合处理（如Cold_vs_Tre_Cold）的DEGs数量减少，提示海藻糖可能通过调控特定基因群缓解胁迫响应（图2，表S4）。

3.4 DEG功能注释与通路富集

GO分析显示DEGs显著富集于“防御响应”“代谢过程”等生物过程（图3）。KEGG分析表明，海藻糖调控的DEGs主要参与苯丙烷生物合成、黄酮类生物合成、植物激素信号转导等通路（图4）。其中，次级代谢通路关键基因（如VvPALs、VvSTSs）、激素信号基因（如VvPYL4）和糖代谢基因（如VvTPSs）的表达变化尤为突出（图5-7）。

3.5 转录因子分析

AP2/ERF家族转录因子（如VvERF105、VvERF109）在三种胁迫下均被海藻糖特异性激活，而bHLH、MYB等因子则参与胁迫特异性调控（图8）。例如，盐和干旱胁迫下VvERF105显著上调，寒冷胁迫中VvERF016和VvERF109起主导作用。

3.6 RT-qPCR验证

对13个关键DEGs（如VvSTS2、VvPYL4、VvERF105）进行RT-qPCR验证，结果与转录组数据高度一致，证实数据可靠性（图9）。

研究结论表明，外源海藻糖通过激活苯丙烷/黄酮类代谢通路、调节植物激素（尤其是ABA）信号转导、重构糖代谢网络以及调控ERF等转录因子级联，共同增强葡萄对寒冷、盐碱和干旱的耐受性。该研究不仅阐明了海藻糖的多效调控机制，还为葡萄抗逆品种选育和栽培实践提供了新靶点。值得注意的是，海藻糖对不同胁迫的调控路径存在差异：干旱胁迫涉及更复杂的糖代谢和激素网络，而寒冷胁迫则更依赖ERF转录因子的快速激活。这种通路特异性为未来针对性设计抗逆策略提供了重要参考。