生理学、转录组学和代谢组学的综合分析揭示了大豆（Glycine max (Linn.) Merr）对碱性胁迫响应的机制

《Plant Science》：Integrative analysis of physiology, transcriptomics, and metabolomics unveils mechanisms in soybean ( Glycine max (Linn.) Merr) response to alkaline stress

大豆在碱胁迫下的生理响应及代谢调控网络研究采用碱耐受（Heihe 35）和碱敏感（Zhonghuang 911）品种，通过表型、生理及多组学分析，发现耐受品种生物量、抗氧化酶活性及渗透调节物质均显著提升，代谢组学和转录组学揭示黄酮类化合物、亚油酸及氨基酸代谢关键作用。

　　

钱莉|陈波|杨子瑜|李晨静|荆静|卢青红|倪瑞|毛鹏志|张莉|郭新勇

新疆石河子大学生命科学学院，832061，中国

摘要

大豆（Glycine max (Linn.) Merr）是一种重要的经济作物，受到碱性胁迫的显著影响，但在这种胁迫下涉及的调控网络仍不清楚。本研究旨在利用耐碱性（Heihe 35）和敏感于碱性（Zhonghuang 911）的大豆品种，通过表型、生理学和多组学方法来阐明碱性胁迫的调控机制。结果表明，与Zhonghuang 911品种相比，Heihe 35品种的生长表现更优，其生物量增加了41.86%-46.71%，抗氧化酶活性增加了51.04%-92.68%，渗透调节因子增加了15.74%-20.49%。与Heihe 35相比，Zhonghuang 911的相对电导率提高了36.81%，活性氧水平增加了19.13%-23.93%，丙二醛含量增加了26.39%。代谢组和转录组分析显示，在碱性胁迫下，黄酮类化合物是大豆中最丰富的代谢物，其中黄酮类、亚油酸和氨基酸代谢的关键调控途径被确定为大豆应对碱性胁迫的关键。值得注意的是，与对照组相比，几种关键差异基因和代谢物在碱性胁迫下表现出显著的上调表达，包括formononetin（C00858）、9(s)-hotre（C16326）和adenine（C00147），其表达上调了1.65至10.56倍；以及LOC100808944（K01904）、SDP1-4（K14674）和LOC100819617（K01679），其表达上调了1.61至8.75倍。本研究的结果增进了我们对大豆应对碱性胁迫的生理和分子机制的理解，突出了关键代谢途径的重要作用。这些发现为提高大豆的耐碱性提供了理论基础，并为培育耐碱性品种奠定了基础。

引言

大豆（Glycine max (Linn.) Merr.）是一种全球重要的双用途作物，是植物蛋白和食用油的主要来源。实现高且稳定的产量对于全球粮食安全和可持续农业系统的进步至关重要（Qin等人，2022年）。除了作为食物外，大豆还产生有价值的工业副产品；从大豆中提取的生物活性肽具有抗肿瘤、抗氧化、抗炎和降胆固醇的特性（Karim等人，2025年；Singh等人，2024年）。然而，大豆的生产受到非生物胁迫的显著限制，尤其是土壤碱化——这是一个日益严重的环境问题。在干旱和半干旱地区，盐碱土壤阻碍了农业扩张和作物生产力（Jiao等人，2018年；Suo等人，2022年）。

在研究盐碱胁迫时，需要区分主要由中性盐（如氯化钠和硫酸钠）引起的盐胁迫，以及主要由碱性盐（如碳酸钠和碳酸氢钠）引起的碱胁迫（Yang等人，2011年）。大量研究集中在中性盐胁迫的各个方面。例如，Loudari等人证明，多磷酸盐肥料比传统肥料更有效地减轻盐胁迫对小麦（Triticum aestivum L.）生长和生理表现的不利影响（Loudari等人，2025年）。Chen等人对葡萄（Vitis vinifera）根系对盐胁迫的反应进行了综合转录组和代谢组分析，揭示了其对植物生长的有害影响，并确定了相关的关键代谢途径（Chen等人，2025年）。为了提高植物的耐盐性，Ma等人表明外源硫化氢通过调节AtU2AF65a增强了拟南芥（Arabidopsis thaliana）的耐盐性（Ma等人，2025年）。中性盐胁迫主要引起离子毒性——尤其是Na?——和渗透胁迫，而碱胁迫则通过离子失衡和高pH值结合，带来了更复杂的挑战（Liu等人，2025年）。在碱性条件下，生理紊乱比中性盐引起的更为严重和多方面，导致离子稳态受损，并触发连锁的代谢和细胞功能障碍，严重抑制植物生长（Fang等人，2021年）。Wang等人的最新研究表明，碱性盐对油菜（Brassica napus）生长的抑制作用显著大于中性盐（Wang等人，2022年）。碱性胁迫直接破坏细胞膜，扰乱细胞内pH值稳态，并严重影响光合作用和营养调节等核心生理过程（Aung等人，2022年；Geilfus，2017年）。尽管在理解盐胁迫方面取得了实质性进展，但碱胁迫的具体机制仍知之甚少，这迫切需要系统性的研究。阐明这些机制对于提高植物对盐碱复合胁迫的耐受性以及开发有效的农业环境胁迫缓解策略至关重要。

大豆对碱性胁迫表现出中等敏感性，这显著抑制了其生长和发育（Ren等人，2024年；Zhang等人，2025年）。尽管已经报道了植物对碱性胁迫的反应，但一些研究提供了宝贵的见解。例如，Zhang等人对耐碱性和敏感性的杜鹃花品种在碱胁迫下的转录组进行了比较分析，鉴定出与耐受性相关的差异表达基因，并提出了进一步功能验证的候选基因（Zhang等人，2025年）。Sun等人采用综合转录组和代谢组方法阐明了牡丹（Paeonia）对盐碱复合胁迫的耐受性机制（Sun等人，2025年）。同样，Zhang等人表征了野生和栽培大豆幼苗在盐胁迫下的代谢组特征，发现碱性条件下的代谢途径与中性盐条件下的不同，从而突出了碱性胁迫的独特性（Zhang等人，2016年）。Kawakami等人比较了耐碱性和敏感性的水稻（Oryza sativa）品种在碱性胁迫下的代谢反应，发现耐碱品种积累了更高水平的有机酸，并上调了与精氨酸相关的代谢途径，表明它们在pH值缓冲和离子稳态中的潜在作用（Kawakami等人，2024年）。尽管取得了这些进展，但在系统研究大豆对碱性胁迫的反应方面仍存在显著的知识空白。大多数现有的大豆研究集中在孤立的生理参数或单一组学分析上，缺乏将生理表现与同时发生的转录组和代谢组动态联系起来的综合多组学框架。这一限制阻碍了构建一个全面的调控网络，将基因表达变化与碱性胁迫下的可观察生理表型联系起来。

本研究旨在系统阐明大豆幼苗对碱胁迫的反应机制。通过整合生理和生化评估与多组学分析，我们研究了大豆幼苗的生长表现、光合参数、抗氧化酶活性和膜脂质过氧化情况。我们进一步分析了全局基因表达谱和动态代谢物积累，以识别参与胁迫反应的基因表达调控网络和关键代谢途径。这种综合方法增强了我们对豆科作物在碱胁迫下生理损伤的理解，有助于构建一个全面的分子和生理反应网络。这些发现将提供可靠的生理指标、候选基因以及大豆耐碱性的分子特征的理论基础，为未来的遗传改良和旨在提高盐碱土壤中大豆生产力的农艺策略奠定坚实基础。

部分摘录

植物材料和处理

在本研究的初步阶段，使用了来自中国新疆石河子市第七农业科学研究所的大豆种质资源，按照Hu等人评估大豆品种耐盐碱胁迫的方法（Hu等人，2024年），筛选出耐碱性品种（Heihe 35）和敏感于碱性的品种（Zhonghuang 911）。

不同耐碱性大豆品种在碱性胁迫下的形态和生理变化

基于初步实验，本研究选择了耐碱性大豆品种Heihe 35和敏感于碱性的品种Zhonghuang 911进行后续分析。在施加胁迫之前，对Heihe 35和Zhonghuang 911在处理组间的植物形态没有观察到显著差异（图1A）。胁迫后，两个品种的对照组保持不变

讨论

土壤碱化比土壤盐碱化更复杂的非生物胁迫，因为它不仅具有盐离子的毒性作用，还施加高pH值胁迫，对大豆的生长和发育造成更严重的不利影响（Liu等人，2025年）。Guo等人报告说，碱性盐胁迫显著抑制了玉米（Zea mays）的光合作用和生长，其危害大于中性盐胁迫（Guo等人，2017年）。因此，

结论

通过综合多组学方法，本研究系统阐明了大豆耐碱性的生理和分子机制。表型和生理数据表明，碱性胁迫显著抑制了大豆的生长。然而，耐碱性品种在植物高度、茎直径、干重和根长方面明显优于敏感品种，同时叶绿素含量和光合效率也更高。

未引用的参考文献

(Liu等人，2024年；Wang等人，2025年；Wang等人，2025年；Wang等人，2025年；Wang等人，2022年；Zhang等人，2025年；Zhang等人，2025年)

资助

本研究得到了辉阳河市第七分区的科学技术计划项目的支持：“耐草甘膦转基因大豆种质资源的引入和高效筛选及适应性研究”（项目编号2025C10）。

CRediT作者贡献声明

杨子瑜：研究、数据管理。陈波：方法学、研究、数据管理。钱莉：撰写——初稿、资源获取、项目管理、方法学、研究、资金获取、正式分析、数据管理。郭新勇：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目管理、方法学、正式分析、数据管理、概念化。张莉：撰写——审阅与编辑，

利益冲突声明

我们特此承诺并确认本研究与任何个人或组织均无利益冲突。

致谢

我们感谢郭新勇提供的建设性意见，以及陈波、杨子瑜、李晨静、荆静、卢青红和倪瑞的技术支持。

利益冲突声明

我们特此承诺并确认本研究与任何个人或组织均无利益冲突。