《Frontiers in Plant Science》：Integrated transcriptomic and metabolic profiling reveals the molecular mechanism of improved nitrogen metabolism in walnut (Juglans regia L.) roots mediated by soybean intercropping
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本研究通过整合代谢组学、转录组学及生理指标分析，系统揭示了大豆间作通过激活核桃根系碳氮代谢通路及氮代谢关键基因（NR、NIR、GS、GOGAT、GDH、NRT、AMT）表达，增强GS/GOGAT循环酶活性，促进无机氮向有机氮转化，从而提升核桃干物质积累与氮素分配效率的分子调控网络，为旱区果园间作系统的可持续发展提供关键代谢与转录证据。
引言
氮是植物生长发育必需的矿质营养元素，作为核酸、蛋白质和激素的关键组成部分，其代谢过程直接影响作物产量形成与农业氮循环。现代农业生产中化学氮肥的过量使用导致成本增加、氮肥利用率降低及温室气体排放等环境问题，因此优化氮管理策略对可持续农业发展至关重要。间作作为一种高效种植模式，可通过物种间生态位互补提高光、温、水、气及养分资源利用效率。豆科作物因其生物固氮能力，在果园间作系统中具有重要应用潜力。核桃作为全球四大坚果之一，在中国旱作农业区常与豆科作物间作，但其对核桃根系氮代谢的调控机制尚不明确。
材料与方法
本研究以“元林”核桃和“龙皇3号”大豆为材料，设置核桃单作与核桃-大豆间作两种种植模式。在果实硬核期、油脂合成期和落叶前分别采集核桃植株样品，测定干物质积累量、氮含量及土壤养分指标。采用液相色谱-质谱联用技术进行代谢组学分析，结合转录组测序筛选差异表达基因，并通过qRT-PCR验证氮代谢关键基因表达。酶活性检测涵盖硝酸还原酶（NR）、亚硝酸还原酶（NIR）、谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合酶（GOGAT）。
结果
干物质积累与根系构型
间作核桃的地上部和根系干物质积累量均显著高于单作，其中根系在10月累积量增加505.41%（单作仅215.75%）。根系形态观察表明，间作核桃垂直根向下延伸优势明显，而单作根系分布均匀（图2）。
氮分配与土壤养分动态
硬核期和休眠期核桃根系氮含量在间作系统中显著升高，而坚果成熟期地上部氮含量低于单作，可能与养分向果实优先分配相关。土壤有机质在硬核期和成熟期间作系统较高，但落叶期与单作无显著差异。间作系统在生长期加速土壤养分消耗，休眠期后养分逐步恢复（图3）。
代谢组与转录组整合分析
代谢组学鉴定出1,389个差异代谢物离子特征，其中833个为正离子模式，556个为负离子模式。差异代谢物显著富集于碳氮代谢通路（如氨基酸代谢、碳水化合物代谢）及氮跨膜运输途径（图4-5）。转录组分析发现3,978个差异表达基因（2,452个上调，1,526个下调），GO和KEGG富集分析均显示“氮利用”通路显著激活（图6）。联合分析筛选出32条共富集通路，涵盖氮代谢、氨基酸代谢和能量代谢（图7）。
氮代谢关键基因与酶活性
qRT-PCR验证显示，间作系统中GS、NRT、GOGAT、AMT和NIR基因表达上调1.77-6.65倍，而NR基因表达下降，可能与酶活性反馈抑制或铵积累相关（图7B-C）。代谢物检测发现L-谷氨酰胺、谷氨酰胺等氮代谢中间产物在间作根系显著积累（图7D）。酶活性检测进一步证实间作增强GS、GOGAT等酶活性，尤其在8月差异显著（图8）。
讨论
本研究首次通过多组学整合揭示核桃-大豆间作系统通过调控碳氮代谢通路与氮转运蛋白表达，强化GS/GOGAT循环，促进核桃根系氮同化效率。豆科作物的生物固氮作用为核桃提供额外氮源，同时根系空间生态位分化减少竞争，优化土壤微环境。值得注意的是，NR基因在转录水平下调可能与铵积累抑制硝酸还原酶转录或转录后调控相关，需进一步验证。本研究为果园间作系统的氮高效利用提供分子水平证据，但盆栽系统的空间限制及环境均一性可能放大效应，未来需通过田间试验验证。
结论
核桃-大豆间作系统通过激活根系碳氮代谢通路与氮代谢关键基因表达，增强GS/GOGAT循环酶活性，促进干物质积累与氮素定向分配。该研究为旱区果园间作模式的氮管理策略提供理论依据。
