外源甘氨酸甜菜碱缓解土木香在盐镉复合胁迫下的动态生理与转录组响应机制

《Frontiers in Plant Science》：Exogenous glycine betaine alleviates dynamic physiological and transcriptomic responses in Inula salsoloides under combined salt-cadmium stress

本研究系统揭示了外源甘氨酸甜菜碱（GB）通过协调渗透调节（如脯氨酸Pro积累）、增强抗氧化酶系统（SOD、POD、CAT、APX活性）及重编程关键代谢通路（如精氨酸和脯氨酸代谢、光合碳固定）等多层次机制，显著提升典型耐盐旱生植物土木香（Inula salsoloides）对单一及复合盐（S）、镉（Cd）胁迫的耐受性，为利用植物生长调节剂增强植物在盐碱与重金属污染环境中的生态修复潜力提供了新见解。

　　

引言

土壤盐渍化与重金属镉（Cd）污染是制约植物生长与生态恢复的全球性环境问题。土木香（Inula salsoloides）作为典型的沙生耐盐旱生植物，在防风固沙及盐碱地恢复中具有重要生态价值。然而，外源甘氨酸甜菜碱（GB）如何调控其应对盐镉复合胁迫（SCd）的机制尚不清楚。

材料与方法

研究于2025年在内蒙古农业大学林学院进行，以采自内蒙古乌海市的土木香种子为材料。实验设置对照（CK）、GB（50 mmol/L）、盐胁迫（S，50 mmol/L Na₂CO₃:NaHCO₃= 1:1）、镉胁迫（Cd，150 μmol/L CdCl₂）及其与GB的复合处理（SGB、CdGB、SCd、SCdGB）共8个组。系统测定了种子萌发参数（发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数）、幼苗形态指标、关键生理生化参数（光合色素、渗透调节物质、抗氧化酶活性、活性氧ROS积累等），并结合转录组测序（Illumina NovaSeq X Plus平台）及qRT-PCR验证，分析了GB的缓解效应及分子机制。

结果

1. 1.
   GB缓解胁迫对种子萌发与幼苗生长的抑制：盐、镉及复合胁迫均显著抑制种子萌发，其中SCd胁迫抑制效应最强（发芽率降低47.15%）。外源GB有效缓解了这种抑制，SCdGB处理使发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数较SCd组分别提升66.91%、148.64%、80.97%和92.24%，恢复至对照水平的88.21%、94.93%、86.71%和85.35%。GB单独处理可促进幼苗生长，而胁迫呈现不同抑制模式：盐胁迫主要抑制叶片发育（叶长、叶宽、叶厚度分别降低20.13%、32.49%、29.51%），Cd胁迫主要抑制株高（降低17.12%），复合胁迫则显著抑制根长（降低16.19%）。GB表现出“靶向修复”能力，如在盐胁迫下提升根长3.24%，在Cd胁迫下提升株高19.32%，在复合胁迫下对根长和叶宽的改善尤为突出（分别增加10.25%和19.15%）。
2. 2.
   GB调控生理生化响应以维持细胞稳态：
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     光合系统：胁迫显著降低叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）、总叶绿素（Chl）及类胡萝卜素（Car）含量，GB处理有效缓解了这一下降，并特别恢复了复合胁迫下的Car含量。
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     渗透调节与氮代谢：胁迫诱导渗透调节物质积累，如可溶性糖（SS）、可溶性蛋白（SP）、脯氨酸（Pro）及游离氨基酸（FAA，Cd胁迫下显著增加）。GB进一步提升了SS、SP、Pro水平，并在Cd胁迫下逆转了FAA的积累（CdGB较Cd组降低244.69%）。硝酸还原酶（NR）活性在SCd胁迫下被严重抑制，GB处理使其恢复71.7%。
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     抗氧化系统与氧化损伤：胁迫抑制超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）等抗氧化酶活性，导致活性氧（超氧阴离子O₂^-、过氧化氢H₂O₂）和膜脂过氧化产物丙二醛（MDA）积累，根活性下降。GB显著增强抗氧化酶（尤其是CAT和APX）活性，提高非酶抗氧化剂还原型谷胱甘肽（GSH）和抗坏血酸（AsA）含量，有效清除O₂^-和H₂O₂，降低MDA含量，并改善根活性。
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     相关性分析：萌发参数与抗氧化能力、光合色素、渗透调节物质及生长指标呈显著正相关，与氧化损伤指标呈显著负相关，证实GB通过协同增强抗氧化防御、光合作用及渗透平衡来促进胁迫下的萌发与生长。
3. 3.
   转录组揭示GB重编程胁迫响应基因表达：转录组测序获得高质量清洁读数1,509,382,052条，从头组装得到138,459个unigenes。差异表达基因（DEGs）分析显示，S、Cd、SCd胁迫分别诱导3,069、1,589、1,510个DEGs，且Cd与SCd胁迫共享1,066个DEGs，表明复合胁迫的转录响应主要由Cd主导。GB处理（SGB-vs-S、CdGB-vs-Cd、SCdGB-vs-SCd）分别调控1,014、273、90个DEGs，其调控模式并非简单逆转胁迫响应，而是进行特异性重编程。
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     GO富集分析：胁迫与GB处理显著影响“细胞过程”、“蛋白质结合”、“蛋白质复合物”等核心功能类别。GB的缓解作用在不同胁迫下存在共性（调控基本细胞活动）与特异性（如盐胁迫下调节防御响应，Cd/复合胁迫下重塑能量代谢）。
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     KEGG通路分析：盐胁迫特异性富集“植物-病原互作”、“MAPK信号通路”等信号转导途径；Cd与复合胁迫主要富集“核糖体”、“蛋白酶体”等蛋白稳态相关通路。GB处理下，盐胁迫相关信号通路持续激活，而Cd/复合胁迫的富集通路从基础合成转向“光合生物中的碳固定”、“乙醛酸和二羧酸代谢”等能量代谢途径，尤其在复合胁迫下显著激活“精氨酸和脯氨酸代谢”通路，与生理水平的脯氨酸积累相印证。
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     转录因子（TFs）：共鉴定11,913个TFs，分属58个家族，其中bHLH（1,220）、NAC（816）、ERF（713）等家族在胁迫响应中尤为突出。GB处理与大量TFs（尤其是bHLH、NAC）的表达重编程相关，提示其可能通过调控关键TFs整合胁迫信号。
   • •
     qRT-PCR验证：随机选取的4个DEGs（ALDH18A1、PRODH、MPAO上调，amiE下调）表达趋势与RNA-seq结果一致，验证了转录组数据的可靠性。

讨论

GB通过多层次协同机制增强土木香的多重胁迫耐受性：表型上，GB针对不同胁迫类型的特异性生长抑制进行“靶向修复”；生理上，通过维持水分平衡、保护光合机构、增强抗氧化网络（协调酶促与非酶促系统）及改善氮代谢来缓解氧化与渗透胁迫；分子层面，GB重编程转录响应，可能通过调控MAPK等信号通路早期启动防御程序，并在Cd/复合胁迫下将代谢流向调整为增强能量代谢与渗透调节物质（如脯氨酸）合成，为抗逆提供物质与能量基础。这种直接保护与内源适应性响应 facilitation 的结合，构成了GB增强植物交叉耐受性的核心机制。

结论

外源GB通过协调渗透调节、抗氧化防御及转录重编程（特别是激活精氨酸和脯氨酸代谢、碳固定等关键通路），显著 alleviates 土木香在盐、镉及其复合胁迫下的生理抑制与氧化损伤，提升其适应性。该研究为利用GB作为植物生长调节剂增强植物在退化生境中的抗逆性及生态修复效能提供了理论依据与技术途径。