《Plant Physiology and Biochemistry》：Integrated Transcriptomic and Metabolomic Profiling and Functional Characterization of the
MaXTH23 gene in Boron Stress Adaptation in Mulberry (
Morus alba L.)
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本研究针对桑树在硼胁迫下细胞壁组分响应机制不清的问题，通过整合转录组学与代谢组学分析，结合病毒诱导的基因沉默技术，系统探究了桑树对硼缺乏及毒害的适应机制，并功能表征了MaXTH23基因在细胞壁重塑中的作用。研究发现，硼胁迫通过调控次生代谢物和类黄酮生物合成等关键通路，诱导了广泛的基因和代谢物重编程；MaXTH23的沉默并未消除其功能，反而促进了果胶交联。该研究为阐明桑树硼胁迫耐受机制提供了新视角，对作物抗逆育种具有重要理论意义。
在农业生产中，营养元素的失衡是制约作物产量和品质的关键因素之一。硼作为植物必需的微量元素，在细胞壁结构稳定和生理功能调节中扮演着不可或缺的角色。然而，无论是硼的缺乏还是过量，都会对植物造成胁迫，影响其正常生长发育。桑树作为一种重要的经济林木，其叶片质量直接关系到蚕丝业的成败。近年来，随着土壤环境变化，硼等营养元素的失衡问题日益突出，严重威胁桑树的生长和蚕丝产业的可持续发展。尽管已知植物进化出了复杂的机制来应对硼胁迫，但关于桑树如何通过调节细胞壁组分和分子通路来适应硼胁迫的具体机制，特别是关键基因的功能，仍不甚明了。为了深入解析这一问题，研究人员在《Plant Physiology and Biochemistry》上发表了最新研究成果。
为了揭示桑树应对硼胁迫的分子机制，研究团队开展了一项整合多组学分析的功能基因组学研究。他们采用了整合转录组学和代谢组学分析技术，对在不同硼水平（包括缺硼、适量硼和硼毒害）下培养的桑树叶片进行了全面的分子 profiling。通过对差异表达基因和差异表达代谢物的联合分析，研究人员构建了基因-代谢物调控网络，并识别出关键的通路。在此基础上，他们利用病毒诱导的基因沉默技术，对筛选出的候选基因MaXTH23进行了功能表征，并通过定量检测沉默后果胶含量的变化来验证其功能。研究所用的桑树材料为栽培种Yu-711，来自江苏科技大学的国家桑树基因库。
3.1. 基于O2PLS模型的DEGs和DEMs关联分析
研究人员通过O2PLS模型对转录组和代谢组数据进行整合分析。在所有硼处理中，共鉴定到6114个差异表达基因和441个差异表达代谢物。联合分析发现，有1120个DEGs与78个DEMs相关联，并共同富集在96条KEGG通路中。分析显示，不同硼处理下，基因和代谢物的关联模式存在差异，例如在严重缺硼处理中，特定的脂质和氨基酸代谢物与应激响应基因显著相关。
3.2. DEGs和DEMs的相关性热图和网络共表达分析
通过皮尔逊相关性分析和网络构建，研究发现了一些关键的基因-代谢物调控对。例如，一些类黄酮代谢物与编码苯丙烷代谢通路关键酶的基因呈正相关，而某些脂质代谢物则与细胞壁修饰相关基因呈负相关。这表明在硼胁迫下，桑树的初级和次级代谢网络发生了紧密的协同变化。
3.3. DEGs和DEMs在各类通路中的KEGG共富集分析
KEGG富集分析表明，次生代谢物生物合成和类黄酮生物合成通路在应对不同硼胁迫水平中均扮演了核心角色。特别是在硼毒害条件下，类黄酮生物合成通路显著富集，提示类黄酮化合物在缓解氧化胁迫中具有重要作用。此外，脂质代谢和碳水化合物代谢通路也发生了显著重编程。
3.4. 与次生代谢物和类黄酮生物合成通路相关的整合DEGs和DEMs分析
深入分析发现，在硼胁迫下，参与类黄酮合成的关键基因，如PAL（苯丙氨酸解氨酶）、CHS（查尔酮合成酶）、FLS（黄酮醇合成酶）等，其表达水平发生了显著变化，并与其下游代谢物（如槲皮素、山奈酚、芦丁等）的积累量密切相关。这些基因和代谢物的协调变化共同构成了桑树抵御硼胁迫的重要机制。
3.5. 与脂质和碳水化合物代谢相关的联合DEGs和DEMs分析
研究显示，硼胁迫显著影响了桑树的脂质代谢和碳水化合物代谢。在脂质代谢中，α-亚麻酸代谢、脂肪酸延伸等通路被激活；在碳水化合物代谢中，半乳糖代谢、抗坏血酸代谢等通路发生改变。这些代谢通路的调整有助于维持细胞膜的稳定性和能量供应，从而增强桑树的抗逆性。
3.6. 与辅因子、维生素和氨基酸代谢相关的整合DEGs和DEMs分析
辅因子、维生素和氨基酸代谢也参与了硼胁迫响应。例如，与NAD合成和叶啉代谢相关的基因表达发生改变，影响了相关维生素和氨基酸代谢物的水平，这可能在抗氧化和信号转导中发挥作用。
3.7. 桑树植物响应硼供给中鉴定出的木葡聚糖内转葡糖基酶/水解酶基因家族成员
转录组分析鉴定出9个XTH基因家族成员在桑树响应硼处理中表达，其中MaXTH23及其多个同源异构体在硼胁迫下均显著上调，提示该基因家族在细胞壁重塑中具有重要功能。
3.8. 桑树叶片中MaXTH23的病毒诱导基因沉默、表达分析及果胶代谢
通过VIGS技术成功沉默了MaXTH23基因。表达分析表明，沉默效率在接种后16天达到最高。对沉默植株的果胶含量分析发现，虽然总果胶含量无显著变化，但水溶性果胶含量显著增加，而螯合剂溶性果胶含量减少。这表明MaXTH23的沉默影响了果胶的甲基酯化状态和交联程度，但其功能可能被其他XTH家族成员部分补偿。
本研究通过整合多组学分析和基因功能验证，系统阐明了桑树应对硼胁迫的复杂分子网络。主要结论包括：首先，次生代谢物生物合成，尤其是类黄酮生物合成通路，是桑树响应硼胁迫的核心机制，通过调控一系列关键基因和代谢物来减轻氧化损伤。其次，脂质和碳水化合物代谢通路发生了显著重编程，以维持细胞稳态和能量平衡。最后，功能研究表明，MaXTH23基因在硼胁迫下的细胞壁果胶代谢和重塑中发挥重要作用，其沉默虽未完全废除功能，但改变了果胶的溶解特性，揭示了该基因家族功能上的冗余性和复杂性。该研究不仅深化了对植物硼胁迫适应机制的理解，特别是揭示了细胞壁相关基因与非细胞壁代谢通路（如脂代谢）的潜在新联系，而且为通过遗传改良培育耐硼胁迫的桑树新品种提供了重要的理论依据和候选基因靶点。
