《Frontiers in Plant Science》：Integrated transcriptomic, untargeted and targeted metabolomic analyses reveal seasonal regulatory mechanisms of vascular cambium activity in woody plants: insights from Schima superba
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本综述通过整合转录组学、非靶向代谢组学和靶向代谢组学分析，系统揭示了木荷（Schima superba）维管形成层季节活动的分子调控网络。研究发现苯丙烷生物合成（PB）和植物激素信号转导（PHST）通路在形成层活跃期（6-8月）显著富集，关键结构基因（SsPAL、SsC4H、Ss4CL等）与木质素中间体积累呈正相关。加权基因共表达网络分析（WGCNA）进一步鉴定出SsMYB、SsbHLH、SsWOX等核心转录因子作为季节形成层活动的调控枢纽。该研究为木本植物次生生长调控机制提供了多组学视角，对林木遗传改良和木材品质提升具有重要理论价值。
季节性形成层活动的生物学特征
木荷作为常绿阔叶树种，其维管形成层活动呈现明显的阶段特异性。根据形成层动态变化特征，年生长周期可划分为四个典型阶段：春季形成层活动启动期（4月）、形成层活跃期（6-8月）、形成层活动衰退期（10月）和形成层休眠期（12月）。夏季形成层维持高度活跃状态，是一年中生长最旺盛的时期，而冬季形成层活动显著减弱，进入相对静止状态。这种季节性的形成层活动差异为研究不同活动阶段内部代谢变化提供了清晰的生物学框架。
非靶向代谢组揭示代谢重编程特征
通过超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）分析，共鉴定到3,024个代谢物，主要包括氨基酸及其衍生物（637个）、有机酸（432个）、苯环及取代衍生物（386个）等9大类。主成分分析（PCA）显示不同处理组间代谢物组成存在显著差异，而组内样本聚集紧密，表明实验具有高度重复性。差异合成代谢物（DSMs）分析发现，Ss12_vs_Ss8比较组DSMs数量最多（1,156个），主要富集于氨基酸代谢、脂肪酸代谢、苯丙烷生物合成（PB）和植物激素信号转导（PHST）等通路。K-means聚类将2,178个DSMs划分为10个亚类，其中亚类2、3、7在Ss6或Ss8阶段显著上调，分别富集于类黄酮生物合成、植物次生代谢物合成以及生物碱合成等通路，表明形成层代谢物积累具有阶段特异性。
靶向代谢组解析木质素合成动态
木质素靶向代谢组学检测到10个木质素相关代谢物，其中8个为差异合成代谢物。除芥子醇和L-苯丙氨酸外，大多数G/H型木质素中间体（松柏醇、咖啡酸、对香豆醇等）呈现先升高后降低的变化趋势，在8月达到峰值。这种动态变化模式揭示了木质素生物合成代谢流的时序调控特征，为理解次生细胞壁加厚过程提供了代谢水平证据。
转录组测序揭示基因表达图谱
RNA测序（RNA-seq）共获得666.776 million高质量clean reads，从头组装生成118,426个unigenes。差异表达基因（DEGs）分析发现Ss12_vs_Ss6比较组DEGs数量最多（13,813个），显著富集于微管运动活性、细胞壁组织等生物学过程。KEGG富集分析显示多个比较组的DEGs在PB和PHST通路显著富集。趋势分析将16,390个DEGs划分为16个表达模式，其中模式13（先上调后下调）的基因显著富集于PB和PHST通路，包含11个PB相关基因（Ss4CL、SsF5H、SsCAD等）和21个PHST相关基因（SsAUX1、SsIAA、SsSAUR等）。
共表达网络鉴定核心调控模块
WGCNA将17,647个基因划分为9个共表达模块，其中粉红色模块和黄色模块与Ss8阶段显著相关，棕色模块与Ss10阶段相关。黄色模块显著富集PB通路，包含12个PB相关基因和30个转录因子；棕色模块同时富集PHST和PB通路，包含28个PHST相关基因、10个PB相关基因和45个转录因子。核心基因分析发现黄色模块中的SsMYB、SsWOX以及棕色模块中的SsGRAS、SsSAUR、SsNF-YB等转录因子可能作为调控枢纽参与形成层活动调控。
多组学整合揭示PB通路调控节点
PB通路中共鉴定到68个DEGs和8个DSMs。关键结构基因SsPAL、SsC4H、Ss4CL、SsC3'H、SsCAD等在6月表达最高，而SsHCT、SsSCPL在10月达到峰值。G/H型木质素中间体在8月积累最多，相关性分析显示Ss4CL、SsC4H与芥子醇呈正相关。调控网络分析表明，松柏醇和对香豆醇的积累受到SsCOMT、SsCCoAOMT、过氧化物酶等多个基因的正向调控，呈现复杂的转录-代谢耦合关系。
PHST通路的多层次协同调控机制
PHST通路共鉴定到109个DEGs，包括36个生长素（AUX）、17个脱落酸（ABA）、15个油菜素内酯（BR）等相关基因。生长素信号通路中SsARF和SsSAUR基因在8月表达最高；细胞分裂素（CTK）通路中SsARR-B在10月达到峰值；赤霉素（GA）通路中SsGID1和SsDELLA分别于10月和8月出现表达高峰。相关性分析发现SsSAUR与松柏醇、对香豆醛呈正相关，SsGH3、SsERF、SsEIN2与芥子醇正相关，表明植物激素信号与木质素合成存在密切的调控关系。
实验验证与数据可靠性
qRT-PCR验证显示14个候选基因中有13个表达趋势与RNA-seq数据一致，两者相关性达R2=0.777，证实了转录组数据的可靠性。这些基因为后续解析木荷形成层活动代谢调控网络奠定了坚实基础。
讨论与展望
研究表明PB通路在木荷形成层活动中呈现显著的动态调控特征，结构基因与代谢物在季节尺度上紧密协同，体现了该通路在次生生长中的保守性。PHST通路通过生长素梯度分布、赤霉素-DELLA蛋白降解模块以及细胞分裂素信号级联等多层次机制，精确调控形成层细胞分裂与分化。核心转录因子SsGRAS、SsSAUR、SsNF-YB等通过整合激素信号与代谢通路，共同构成形成层活动的调控网络。该研究为木本植物维管形成层季节活动的多组学调控机制提供了新见解，对林木分子育种和木材品质改良具有重要指导意义。
