激素与营养协同调控：多组学解析秋霞樱二次开花的关键机制

《Plants》：Multi-Omics Analysis Sheds Light on the Relative Roles of Hormones and Nutrients in Regulating Secondary Flowering in Prunus subhirtella ‘Autumnalis’ Zichao Kan, Yanxia Xu, Guoshuai Li, Wenhui Wang, Pengyi Wang and Chunling Zhou

本研究通过整合转录组学与代谢组学（Multi-Omics）分析，揭示了赤霉素（GA3）、茉莉酸（JA）、生长素（IAA）等激素与可溶性糖、淀粉等营养物质在调控秋霞樱（Prunus subhirtella'Autumnalis'）二次开花（Secondary Flowering）中的相对作用，为延长樱花观赏期提供了重要的理论与应用依据。

　　

1. 引言

樱花是著名的春季观赏植物，但其花期较短限制了其观赏价值。秋霞樱（Prunus subhirtella'Autumnalis'）因其能够在秋季二次开花而备受关注。其花芽在夏末至秋初完成分化后，一部分在当年10月开花（秋季开花），另一部分则进入休眠，待来年3月开放（春季开花）。初步观察发现，秋季能否开花与花芽在枝条上的位置有关：长枝顶部的花芽（LB）开花率显著高于短枝基部的花芽（SB）。为深入理解这一特殊的开花现象，本研究旨在从激素和营养调控的角度，探究影响秋霞樱二次开花的关键因子。

2. 结果

2.1. 秋季两类花芽的多组学分析

在决定花芽命运的关键时期（S3，芽鳞开裂期），对LB（倾向于开花）和SB（倾向于休眠）进行了转录组和代谢组分析。主成分分析（PCA）显示，两者在代谢组水平上差异显著，而在转录组水平上差异相对有限。

通过差异表达基因（DEGs）和差异积累代谢物（DAMs）的联合分析，筛选出六个与开花密切相关的核心代谢通路，主要涉及激素信号转导和营养代谢两方面。在激素相关通路中，LB中吲哚-3-乙酰胺（IAM，IAA合成前体）含量显著高于SB。在赤霉素（GA₃）信号模块中，SB中DELLA蛋白（GA信号负调控因子）相关基因表达更高，可能抑制了GA₃信号。在茉莉酸（JA）合成相关的α-亚麻酸代谢通路中，SB中JA甲基转移酶（JMT）基因表达较低，可能阻碍了JA向茉莉酸甲酯（MeJA）的转化，导致JA积累。在营养相关通路中，SB中与苹果酸合成酶、天冬氨酸氨基转移酶等相关的基因表达较低，可能影响了三羧酸（TCA）循环效率和氨基酸（如谷氨酸、天冬氨酸）合成，从而导致营养物质储备相对不足。

2.2. 春秋季开花前激素含量的变化

对IAA、ABA、JA、GA₃四种激素在开花前六个阶段（S1-S6）的动态变化进行了测定。

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  IAA（生长素）：在LB和春季花芽（FB）中，IAA含量在S4（萼片显露期）达到峰值，而在SB中峰值出现更早（S3）且峰值较低，随后下降。这表明IAA的积累和达到一定阈值对支持开花是必要的3 content (D)">。
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  ABA（脱落酸）：含量虽有波动，但其变化趋势在LB和SB中不一致，与二次开花无明显强相关性，表明ABA在本实验条件下对二次开花的直接调控作用有限3 content (D)">。
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  JA（茉莉酸）：在LB中，JA含量在S1后急剧下降，并从S2到S5持续显著低于SB。JA的快速下降与开花进程相关，表明JA对二次开花可能起负调控作用3 content (D)">。
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  GA₃（赤霉素）：在发育阶段（S1-S3），LB中的GA₃含量急剧上升，峰值（S3）显著高于SB。GA₃的快速积累与促进开花密切相关3 content (D)">。

2.3. 春秋季开花前营养含量的变化

测定了可溶性蛋白、可溶性糖和淀粉的含量。

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  可溶性蛋白：在整个发育期间，LB中的含量始终高于SB，为开花提供了物质基础。
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  可溶性糖与淀粉：在发育后期（S4-S6），LB的可溶性糖含量显著高于SB，而淀粉含量在S1-S4阶段也显著高于SB，随后在S5期被水解。这表明LB积累了更充足的糖类营养物质，为二次开花提供了能量保障。

2.4. 相关性分析

相关性热图分析进一步揭示了各因子之间的关系。GA₃与ABA在所有类型花芽中均呈正相关，而GA₃与JA呈负相关，这支持了GA₃（促开花）与JA（抑开花）之间存在拮抗作用的观点。在LB和FB中，可溶性糖与可溶性蛋白含量呈负相关，这可能反映了开花过程中营养物质的消耗与再分配。

3. 讨论

多组学分析表明，激素信号和营养代谢通路是导致LB和SB花芽命运差异的上游诱导因素。IAA的充足积累可能是诱导二次开花的必要条件之一。GA₃作为经典的促花激素，其含量的快速提升直接促进了秋霞樱的花芽绽放。相反，JA作为一种胁迫相关激素，其含量的快速下降解除了对开花的抑制。ABA在本研究背景下对二次开花的调控作用不明显。同时，LB中持续较高的营养物质（可溶性蛋白、糖、淀粉）水平，为二次开花提供了不可或缺的物质和能量基础。激素与营养之间存在着复杂的协同与拮抗网络，共同精细调控着二次开花过程。

4. 材料与方法

研究材料为采自山东青岛的秋霞樱健康花芽，分为春季花芽（FB）、秋季短枝基部花芽（SB）和秋季长枝顶部花芽（LB）。在关键时期S3采集样品进行转录组和代谢组学分析。同时，按六个发育阶段（S1-S6）系统采集样品，利用超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）测定IAA、ABA、JA、GA₃含量，并用分光光度法测定可溶性蛋白、可溶性糖和淀粉含量。数据采用SPSS等软件进行统计与相关性分析。

5. 结论

本研究通过多组学联合分析，初步阐明了激素信号和营养代谢在秋霞樱二次开花中的相对作用。IAA的积累可能诱导二次开花，GA₃与开花呈正相关，而JA与开花呈负相关。同时，花芽发育伴随着营养水平的动态变化，其积累量与开花呈正相关。这些发现为理解木本植物二次开花的分子与生理机制提供了新见解，也为延长樱花观赏期和调控木本植物花期提供了理论依据。未来研究可进一步整合春季花芽的动态分析，并探究顶端优势机制是否参与二次开花调控，以完善相关调控网络。