《Plant Growth Regulation》：Transcriptomic combined with physiology revealed the response mechanism of Setaria Italica L. to different mo concentrations
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本研究针对植物钼营养"双重效应"机制不明的难题，通过整合生理生化与转录组分析，系统阐明了谷子（Setaria italica L.）对不同钼浓度（0-15 mg L?1）的响应网络。研究发现8 mg L?1Mo通过激活苯丙烷代谢、优化淀粉-蔗糖平衡和激素信号转导，显著促进幼苗生长；而15 mg L?1Mo则诱导类胡萝卜素关键基因（NCED4/5、ZDS）上调，通过ABA信号通路增强抗逆性。该研究为作物钼营养精准调控提供了理论依据，对干旱半干旱地区谷物安全生产具有重要指导意义。
在农业生产中，微量元素如同植物的"维生素"，虽然需求量微小，却发挥着四两拨千斤的关键作用。钼作为植物必需的微量营养元素，参与氮素代谢、光合作用等核心生理过程，但令人困扰的是，这种元素展现出独特的"双重性格"——适量时是促进生长的"营养师"，过量时则变为抑制发育的"隐形杀手"。尤其对于起源于中国的古老作物谷子而言，其在干旱半干旱地区的栽培实践中，农民常常面临钼肥施用的两难抉择：施用量不足会导致叶片黄化、生长受阻，而过量施用反而引起叶片枯萎、产量下降。这种浓度依赖效应背后的分子调控机制，至今仍是植物营养学研究领域的盲区。
为解决这一科学问题，山西农业大学的研究团队在《Plant Growth Regulation》上发表了创新性研究成果。研究人员设计了一套精细的实验方案：以晋谷21号为材料，设置0（CK）、4（T1）、8（T2）、10（T3）和15（T4）mg L?1五个钼浓度梯度，通过水培实验系统分析谷子萌发特性、生长指标、光合色素含量、氮代谢关键酶活性等生理参数，并利用RNA-seq技术解析转录组响应网络。特别值得关注的是，研究还通过qRT-PCR对关键基因表达进行了验证，确保数据的可靠性。
在技术方法层面，该研究主要采用以下关键技术：①多浓度梯度水培实验体系；②光合色素光谱测定技术；③氮代谢酶活性检测（包括NR、GS、GDH、GOGAT等）；④Illumina Novaseq 6000平台转录组测序；⑤差异表达基因的GO和KEGG富集分析；⑥qRT-PCR验证关键基因表达。实验材料为山西农业大学提供的晋谷21号谷种，所有测定均设3个生物学重复。
种子萌发特性
研究结果显示钼浓度对谷子萌发具有显著调控作用。与对照相比，T2处理（8 mg L?1）的萌发率提高6.00%，芽长显著增加42.86%，而T4处理（15 mg L?1）则使萌发率降低8.24%，根长减少18.37%。这表明适宜浓度钼促进萌发，高浓度则产生抑制效应。
植株生长表现与根系形态指标
随着钼浓度升高，株高和生物量均呈现先增后降趋势。T2处理使地上部鲜重增加27.61%，根系活力提升63.02%；而T4处理则导致地上部和根部鲜重分别下降29.52%和37.04%，根系活力降低65.95%。这表明适宜钼浓度通过促进根系发育增强养分吸收能力。
光合色素含量与氮代谢相关酶
T2处理使总叶绿素含量显著提高51.74%，氮代谢酶NR、GS、GDH、GOGAT活性分别提升75.06%、144.98%、223.38%、177.74%，可溶性蛋白含量增加489.98%。高浓度钼（T4）则导致叶绿素a含量降低27.09%，类胡萝卜素下降25.31%，说明适宜钼浓度通过增强光合能力和氮代谢促进生长。
转录组测序与差异表达基因鉴定
转录组分析共鉴定出5189个差异表达基因（DEGs），其中T2处理差异基因数量最多（2066个），表明8 mg L?1是谷子响应钼胁迫的关键阈值。KEGG富集分析显示这些基因显著富集于苯丙烷生物合成、淀粉和蔗糖代谢、植物激素信号转导等12条通路。
激素信号通路基因表达模式
研究鉴定出99个激素信号相关基因，包括生长素信号通路中的23个IAA基因、多个ARF和SAUR基因。T4处理显著上调2个GH3s基因，而T2处理使细胞分裂素信号通路中的2个A-ARR基因高表达。此外，T2处理还上调4个BRI1基因、3个JAZ基因和2个MYC2基因，表明钼通过剂量依赖方式调控激素平衡。
蔗糖和淀粉代谢通路
T2处理上调HK7和TPP11基因表达，促进果糖磷酸化过程；而T4处理则抑制AMY2、BMY1和BMY2基因表达，阻碍淀粉降解，同时激活海藻糖合成途径。这表明高浓度钼通过重构碳代谢网络增强植株抗逆性。
苯丙烷生物合成、类胡萝卜素代谢和类黄酮代谢
T2处理显著上调苯丙烷途径中PAL、C4H、CCR等基因表达，促进类黄酮合成；T4处理则上调类胡萝卜素合成关键基因NCED4、NCED5、ZDS表达，通过ABA信号通路优化光保护机制。这些代谢通路的协同调控是谷子适应钼胁迫的重要策略。
研究结论与讨论部分指出，外源钼通过剂量依赖方式调控谷子生长发育，其中8 mg L?1为最适浓度。在分子机制层面，适宜浓度钼通过激活苯丙烷代谢和类黄酮生物合成促进生长，而高浓度钼则通过上调类胡萝卜素关键基因（NCED4、NCED5、ZDS）和激素信号转导增强抗逆性。生理层面，适宜钼浓度显著提升氮代谢酶活性和光合色素含量，优化碳氮平衡。该研究首次系统揭示了谷子响应钼胁迫的转录调控网络，为作物微量元素精准管理提供了新视角，对提高干旱半干旱地区谷物产量和养分利用效率具有重要实践意义。
特别值得关注的是，研究发现的钼浓度阈值效应为肥料科学施用提供了精确指导——8 mg L?1不仅是促进生长的最佳浓度，更是触发谷子抗逆机制的关键节点。这种"剂量-效应"关系的阐明，使得农民在实践操作中能够像使用"微量天平"一样精准控制钼肥施用量，既避免缺乏症又防止毒害发生。此外，研究揭示的碳氮代谢与激素信号交叉对话机制，为理解微量元素调控植物生长的本质规律提供了新范式。
