冬小麦复水过程中类黄酮代谢调控机制及其对产量补偿效应的多组学解析

《Frontiers in Plant Science》：Flavonoid metabolism is involved in regulating the growth of winter wheat upon rehydration

本研究通过田间试验结合多组学分析，揭示了延迟复水通过调控类黄酮代谢通路影响冬小麦产量形成的分子机制。研究发现，四叶期复水可协调穗数、穗粒数与千粒重的平衡，使产量提升8.31%~51.23%。转录组与代谢组联合分析表明，二氢山奈酚相关基因（TraesCS4B02G344900）与柚皮素、白杨素等代谢物显著正相关，而绿原酸、木犀草素与穗粒数、千粒重等农艺性状密切关联，提示类黄酮代谢可能是干旱胁迫下作物产量补偿的关键调控枢纽。

　　

材料与方法

研究于2018–2020年在河北深州旱作研究所试验站进行，以冬小麦品种衡观35（HG35）为材料，设置L3（三叶期）、L4（四叶期）、L5（五叶期）、L6（六叶期）4个复水处理，通过RNA-seq和UPLC-MS/MS技术分析基因表达与代谢物动态。

水分消耗特征

延迟复水显著降低生殖生长阶段总耗水量，尤其是拔节至开花期（图1b）。L3、L4处理的土壤相对含水量（RSWC₆₀）在开花期均维持在60%以上，而L5、L6处理在复水前RSWC₆₀低于50%，表明中度干旱胁迫。

农艺性状响应

L4处理在孕穗期叶面积指数（LAI）较L3仅降低34.3%，且有效茎数保留率最高（图2a–b）。延迟复水至五叶期（L5）后，株高和成熟期生物量（BAM）显著下降，但四叶期复水（L4）未引起表型性状显著差异（图2c–e）。

穗发育与产量构成

L5、L6处理的穗长、穗粒数显著降低，不育小穗数增加1.8–2.0个（图3a–d）。L4通过平衡穗数、穗粒数与千粒重（增加1.20 g）实现产量提升，而L6的千粒重虽增加4.77 g，但穗粒数减少导致产量受限（图3e–g）。主成分分析表明，穗数、BAM和穗粒数是贡献率最高的产量因子（PC1=81.7%）。

类黄酮代谢通路激活

转录组分析发现L4、L6中类黄酮合成关键基因（如FLS、UGT）显著上调（图4b–e）。二氢山奈酚相关基因TraesCS4B02G344900与柚皮素、白杨素等12种代谢物正相关，绿原酸和木犀草素与穗粒数、千粒重等性状显著关联（图6a）。L4处理下查尔酮合成酶（CHS）基因下调，对应白杨素、绿原酸等代谢物减少，而木犀草素在早复水处理（L3、L4）中积累量更高（图6b）。

讨论与结论

四叶期复水通过调控类黄酮代谢通路优化光合产物向穗部转运，缓解早期干旱胁迫对穗发育的抑制，从而实现产量补偿。类黄酮代谢物作为生长抑制信号分子，可能通过抑制生长素转运促进碳水化合物再分配，最终提高穗粒数与千粒重。该研究为水分限制条件下小麦高产栽培提供了分子调控靶点。