转录组与代谢组图谱揭示谷胱甘肽和烟胺代谢在燕麦镉胁迫抗性中的核心协同作用

《Plant Physiology and Biochemistry》：Transcriptome and metabolome atlas reveals pivotal roles of glutathione and nicotianamine metabolism in Cd stress resistance in oat

本研究针对全球性的土壤镉（Cd）污染对作物生产与食品安全构成的严重威胁，以具有不同Cd耐受性的两个燕麦品种为材料，通过整合转录组学和代谢组学分析，深入探究了燕麦响应Cd胁迫的分子机制。研究发现，耐Cd品种CEav5651通过显著上调谷胱甘肽（GSH）和烟胺（NA）的生物合成与积累，并协同增强抗氧化酶系统活性，从而有效缓解Cd诱导的氧化损伤，表现出更强的Cd耐受性。关键基因AsGS3和AsNAS17的功能验证表明其过表达可显著提高植物的Cd抗性。该研究不仅阐明了GSH和NA代谢在燕麦Cd耐受中的关键协同作用，也为培育抗Cd作物品种提供了重要的基因靶点和理论依据。

　　

在工业化与农业化学品使用日益频繁的背景下，土壤中的镉（Cd）污染已成为一个全球性的严峻环境问题。镉作为一种非必需且具有高毒性的重金属元素，极易被植物根系吸收并转运至地上部，通过抑制种子萌发、干扰营养吸收、影响叶绿素形成、诱导氧化应激反应等多种途径，严重阻碍植物生长，导致作物减产和品质下降，并最终通过食物链累积，对人类和动物健康构成重大威胁。燕麦（Avena sativaL.）作为全球第七大谷物，兼具重要的粮食和饲料价值，但其生产也正受到日益扩大的Cd污染区域的严重影响。然而，与水稻、玉米等主要谷物相比，目前对燕麦Cd耐受种质资源、相关基因及其耐受机制的研究尚属空白。

为了深入揭示燕麦应对Cd胁迫的复杂分子机制，并为培育耐Cd燕麦品种提供理论依据和基因资源，山西农业大学的研究团队在《Plant Physiology and Biochemistry》上发表了题为“Transcriptome and metabolome atlas reveals pivotal roles of glutathione and nicotianamine metabolism in Cd stress resistance in oat”的研究论文。该研究选取了具有显著Cd耐受性差异的两个燕麦品种——Cd敏感型T1402和Cd耐受型CEav5651，通过整合生理生化指标测定、转录组学、代谢组学分析、外源物质处理以及基因功能验证等多种技术手段，系统解析了燕麦响应Cd胁迫的关键代谢通路和分子调控网络。

研究人员开展此项研究主要应用了以下几项关键技术方法：以Cd敏感型T1402和Cd耐受型CEav5651两个燕麦品种为材料进行Cd胁迫处理；利用转录组测序（RNA-seq）分析基因表达谱；采用超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）进行非靶向代谢组学分析；对Cd敏感品种进行谷胱甘肽（GSH）和烟胺（NA）的外源施加实验；通过农杆菌介导法将候选基因AsGS3和AsNAS17在烟草中进行异源过表达以验证基因功能；并系统测定了包括抗氧化酶活性、活性氧（ROS）和丙二醛（MDA）含量、叶绿素含量和荧光参数等在内的生理指标。

3.1. CEav5651比T1402更耐受Cd胁迫

表型观察和生理指标测定表明，在50 μM CdCl₂胁迫下，T1402品种表现出更严重的叶片黄化、萎蔫、矮化和塌陷现象，其株高和鲜重均显著低于CEav5651。同时，T1402叶片中过氧化氢（H₂O₂）、超氧阴离子（O₂^.-）和MDA的积累量远高于CEav5651，表明其遭受了更严重的氧化损伤。相反，CEav5651的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）的活性均显著高于T1402，显示出更强的活性氧清除能力。这些结果共同表明CEav5651具有比T1402更强的Cd胁迫耐受性。

3.2. Cd胁迫下燕麦幼苗的转录组分析

转录组分析显示，Cd胁迫在CEav5651中诱导了更多差异表达基因（DEGs）（上调5533个，下调6383个），而在T1402中仅诱导了较少DEGs（上调2998个，下调3048个），表明活跃的转录响应对于Cd耐受至关重要。对两个品种中共同上调的1835个基因进行基因本体（GO）富集分析，发现它们显著富集在“烟胺代谢过程”、“烟胺生物合成过程”、“烟胺合酶活性”和“谷胱甘肽代谢过程”等条目。京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析进一步强调了“谷胱甘肽代谢”、“烟酸和烟酰胺代谢”以及“半胱氨酸和蛋氨酸代谢”通路的激活。这些结果表明，谷胱甘肽和烟胺代谢在燕麦应对Cd胁迫中扮演着核心角色。

3.3. Cd胁迫下的代谢组重编程

代谢组学分析共检测到1342种代谢物。Cd胁迫下，在T1402和CEav5651中分别鉴定出325和382个差异积累代谢物（DAMs）。在207个共有的DAMs中，有57个在CEav5651中的积累量显著高于T1402，其中包括烟胺（高出22.37倍）和谷胱甘肽（高出13.27倍）。KEGG富集分析再次确认“谷胱甘肽代谢”、“半胱氨酸和蛋氨酸代谢”和“烟酸和烟酰胺代谢”是关键的响应通路。这些代谢组层面的发现与转录组结果相互印证，共同指向GSH和NA代谢在Cd耐受性差异中的重要作用。

3.4. 转录组与代谢组的整合分析

通过构建基因与代谢物的共表达网络并进行KEGG联合富集分析，发现无论在T1402还是CEav5651中，“谷胱甘肽代谢”、“烟酸和烟酰胺代谢”和“半胱氨酸和蛋氨酸代谢”这三个通路均在转录本和代谢物水平上被共同显著富集。这进一步证实了在Cd胁迫下，燕麦通过协调调控基因表达和代谢物积累来激活这些关键解毒通路。

3.5. 外源谷胱甘肽和烟胺减轻Cd毒性

功能验证实验表明，外源施加谷胱甘肽（GSH）或烟胺（NA）能显著缓解Cd对敏感品种T1402造成的生长抑制和叶片萎蔫。这两种代谢物有效降低了Cd胁迫下叶片中的MDA、O₂^.-和H₂O₂含量，同时显著增强了SOD、POD和CAT的活性。此外，它们还部分恢复了被Cd胁迫抑制的叶绿素合成和光系统II（PSII）的最大光化学效率（Fv/Fm），表明外源GSH和NA通过增强抗氧化防御系统和维持光合作用能力来提高植物的Cd耐受性。

3.6. AsGS3介导的谷胱甘肽生物合成赋予Cd耐受性

代谢组学显示Cd胁迫下CEav5651中谷胱甘肽积累最多。转录组数据表明，谷胱甘肽生物合成关键基因（γ-GCS和GS）在Cd胁迫下被强烈诱导，且在CEav5651中的诱导程度高于T1402，其中AsGS3（谷胱甘肽合成酶基因）的上调最为显著。在烟草中异源过表达AsGS3能显著提高内源谷胱甘肽含量，增强抗氧化酶活性，降低氧化损伤水平，从而改善转基因植株的Cd耐受性。值得注意的是，AsGS3过表达导致Cd在根部大量滞留，向地上部转运的比例显著降低，表明其通过促进Cd在根中的固定来减少向地上部的运输。

3.7. AsNAS17的基因组鉴定与功能验证

研究人员从燕麦基因组中鉴定出23个AsNAS（烟胺合酶）基因，并分为两个进化枝。Cd胁迫下，进化枝I中的12个AsNAS基因在两个品种中均被上调，其中AsNAS17的诱导表达最为显著。在烟草中过表达AsNAS17能提高内源烟胺水平，增强抗氧化能力，减轻氧化损伤，从而显著提高转基因植株的Cd耐受性。与AsGS3过表达植株不同，AsNAS17过表达植株的地上部和根部Cd含量均高于野生型，但对Cd的转运能力没有显著影响，说明其耐受性增强主要归因于提高了体内的Cd螯合与解毒能力，而非减少Cd的吸收或转运。

该研究通过多组学整合分析并结合生理生化与分子生物学验证，系统阐明了谷胱甘肽（GSH）和烟胺（NA）代谢在燕麦镉（Cd）胁迫抗性中的核心作用。研究结论表明，耐Cd品种CEav5651通过更高效地激活GSH和NA的生物合成途径，在转录和代谢水平上实现更强的积累，从而协同增强细胞的抗氧化能力和重金属螯合能力，这是其耐受性优于敏感品种T1402的关键分子基础。外源施加GSH或NA能有效缓解Cd毒性，证实了它们的功能重要性。关键基因AsGS3和AsNAS17的功能验证不仅明确了它们在各自代谢途径中的关键作用，还揭示了它们可能通过不同的方式（根部固定 vs. 体内螯合）来增强Cd耐受性。这项研究的重要意义在于首次在燕麦中揭示了GSH和NA代谢通路在Cd耐受中的协同调控网络，为理解谷物作物应对重金属胁迫的分子机制提供了新的视角，并为通过基因工程手段同步改良作物的重金属耐受性和微量元素营养品质提供了有价值的候选基因和理论支撑。