体外再生的白杨（Populus alba）对纳米羟基磷灰石响应的整合代谢组学和遗传学分析

纳米羟基磷灰石（nHAp）促进白杨树离体再生植株生长并引发遗传和代谢重编程，通过RNA指纹技术和核磁共振代谢组学分析，发现60 mg/L nHAp显著提升 shoot/root length、leaf number 等生长参数，诱导39.16%的遗传变异，并伴随糖代谢转向细胞壁前体和氨基酸合成，主要富集于氨基酸-tRNA合成及ABC转运蛋白通路。

　　

摘要

背景

纳米诱导技术作为一种在体外增强植物生长和代谢性能的策略，正受到越来越多的关注。然而，纳米羟基磷灰石（nHAp）在木本植物中的应用对基因和代谢组的影响仍知之甚少。本研究探讨了生物合成的nHAp对体外再生Populus alba的生长性能、遗传变异、代谢组重塑以及代谢途径调节的影响。

结果

生物合成的nHAp呈现出棒状形态，平均尺寸为60纳米×213纳米，并具有负表面电荷（ζ电位为-22.1毫伏）。实验在三种浓度水平（20、40和60毫克/升）下研究了nHAp的作用。与对照组相比，添加nHAp显著改善了植物的营养生长参数，包括重量、茎和根的长度、叶片数量以及不定根的形成。随机扩增多态性DNA（RAPD）和起始密码子靶向（SCoT）分析显示存在基因型变异，多态性比例分别为39.16%和34.4%。基于¹H和¹H–¹³C异核单量子相干（HSQC）核磁共振（NMR）数据，共鉴定出35种代谢物。nHAp处理导致了显著的代谢组变化，表现为初级和次级代谢物的含量发生显著改变，以及其生物合成途径的富集。蔗糖是一个关键的代谢生物标志物，在对照样本中存在，但在nHAp处理样本中含量减少。相反，nHAp处理样本中苯丙氨酸、奎宁酸和其他细胞壁前体的积累增加。添加40毫克/升nHAp后，三硝基精氨酸和儿茶酚的浓度显著升高。最高浓度的nHAp（60毫克/升）显著提高了γ-氨基丁酸、天冬酰胺、儿茶酚和棉子糖的水平。途径分析显示，氨基酰-tRNA生物合成和ABC转运蛋白途径的富集最为显著。

结论

这些发现证实，nHAp处理能够增强Populus alba的营养生长参数，并诱导其基因和代谢组变异。代谢重编程，特别是从蔗糖储存向结构碳水化合物和氨基酸合成的转变，凸显了nHAp作为植物生物技术中有效纳米诱导剂的潜力。