《Plant Physiology and Biochemistry》：Integrated physiological, transcriptomic and widely targeted metabolomic analyses reveal the underlying mechanism of cold stress response in the panicle apical abortion line J876 derived from Oryza rufipogon
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低温胁迫是显著限制水稻产量的主要环境因子，然而水稻叶片与根系对低温胁迫的协同系统性响应机制尚不清楚。本研究以粳稻品种滇粳优1号（Dianjingyou 1，DJY1）为受体亲本，创制普通野生稻（Oryza rufipogon）渗入系（introgression
低温胁迫是显著限制水稻产量的主要环境因子，然而水稻叶片与根系对低温胁迫的协同系统性响应机制尚不清楚。本研究以粳稻品种滇粳优1号（Dianjingyou 1，DJY1）为受体亲本，创制普通野生稻（Oryza rufipogon）渗入系（introgression lines，ILs），其中J876表现出穗顶端败育表型，被用于苗期耐冷性评价。表型分析显示，相较于DJY1，J876对低温胁迫显著更敏感。为阐明其潜在机制，研究人员对DJY1与J876开展了整合生理生化、转录组及广泛靶向代谢组分析以比较二者的低温胁迫响应。低温处理下，J876叶片与根系中活性氧（reactive oxygen species，ROS）积累量均高于DJY1，同时氧化还原酶活性更低。此外，差异表达基因与差异积累代谢物主要参与氨基酸与碳水化合物代谢。整合分析表明，精氨酸、脯氨酸及苯丙烷代谢通路在叶片与根系中均受到共同调控，而类黄酮生物合成在叶片中特异性激活，半乳糖代谢在根系中独特调控，凸显了这些通路在水稻耐冷性中的潜在协同作用。上述发现为解析水稻低温诱导氧化胁迫的调控机制提供了新见解，也为耐冷水稻品种选育提供了重要指导。
本研究针对全球气候变化背景下低温胁迫导致水稻减产的核心问题展开。水稻作为半数以上全球人口的主粮，起源于热带亚热带地区，对低温天然敏感，直播稻苗期冷害可导致叶片与根系发育受损、死苗及严重产量损失。尽管已有研究揭示了COLD1、ABF1等单个基因在耐冷中的功能，但水稻地上部与地下部器官对低温的协同响应机制仍不明确，尤其是细胞壁重塑、代谢物动态变化在多器官间的分工调控尚未见系统报道。为此，研究人员以耐冷对照滇粳优1号（DJY1）和冷敏感渗入系J876为对象，通过多组学联合分析，系统解析了苗期低温响应的分子与代谢基础，相关成果发表于《Plant Physiology and Biochemistry》。
研究采用的主要关键技术方法包括：以普通野生稻为供体、滇粳优1号为受体构建渗入系群体，筛选获得冷敏感穗顶端败育系J876；设置4℃低温处理5天及恢复实验，结合DAB、NBT、台盼蓝染色进行活性氧与细胞死亡可视化检测；测定相对电导率、丙二醛、渗透调节物质及抗氧化酶活性等生理指标；分别对叶片与根系进行转录组测序（RNA-seq）筛选差异表达基因（differentially expressed genes，DEGs），并进行GO与KEGG富集分析；采用液相色谱-质谱联用技术开展广泛靶向代谢组学分析，鉴定差异积累代谢物（differentially accumulated metabolites，DAMs）并注释通路；通过整合转录组与代谢组数据构建关键通路调控网络，并利用qRT-PCR验证候选基因表达。
研究结果如下：
3.1 渗入系J876较DJY1表现出冷敏感表型
21天苗龄植株经4℃处理5天并恢复7天后，J876叶片萎蔫严重，存活率仅为4.04%，显著低于DJY1的96.75%；株高、地上鲜重、根鲜重均显著降低，证实J876为冷敏感材料。
3.2 低温胁迫下DJY1与J876叶片和根系的活性氧积累与抗氧化酶活性差异
DAB与NBT染色显示，低温处理后J876叶片与根系中过氧化氢（H2O2）与超氧阴离子（O2•?）积累量均显著高于DJY1；生理测定进一步验证了该结果。抗氧化酶（SOD、APX、CAT、POD）活性在DJY1叶片与根系中均显著高于J876，表明J876抗氧化清除能力较弱，导致活性氧过量积累。
3.3 低温胁迫下DJY1与J876的细胞活力与渗透调节差异
台盼蓝染色显示J876低温处理后细胞死亡程度更严重；相对电导率与丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量在J876中更高，表明膜损伤更严重。恢复7天后，J876中脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量显著高于DJY1，为渗透失衡后的代偿性积累。
3.4 转录组分析揭示低温胁迫下DJY1与J876叶片与根系的不同基因表达谱
低温处理后，J876与DJY1叶片间鉴定到162个DEGs，根系间鉴定到818个DEGs。GO富集显示DEGs显著富集于细胞壁结构与功能（如松脂醇还原酶活性）、活性氧稳态相关条目；KEGG富集表明，苯丙烷生物合成、抗坏血酸与醛糖酸代谢、精氨酸与脯氨酸代谢、类黄酮生物合成为二者共有响应通路，而谷胱甘肽代谢、氨基糖与核苷酸糖代谢、淀粉与蔗糖代谢可能与耐冷差异相关。
3.5 DJY1与J876叶片与根系低温胁迫下的代谢组学特征
共检测到606种代谢物，低温处理后J876与DJY1叶片间鉴定到54个DAMs，根系间鉴定到40个DAMs。KEGG富集显示，精氨酸与脯氨酸代谢、苯丙烷生物合成在二者中均显著富集，叶片中类黄酮相关通路特异富集，根系中苯丙烷生物合成与精氨酸脯氨酸代谢差异显著。
3.6 整合转录组与代谢组分析揭示叶片低温胁迫下的器官特异性调控网络
二者叶片中共有23条通路被共富集，包括苯丙烷生物合成、类黄酮生物合成、精氨酸与脯氨酸代谢。低温下J876叶片中查尔酮合成酶编码基因下调，影响类黄酮与木质素合成；D-脯氨酸积累量显著高于DJY1，表明叶片通过类黄酮与脯氨酸代谢的差异响应低温。
3.7 整合转录组与代谢组分析揭示根系低温胁迫下的器官特异性调控网络
根系中共有20条通路被共富集，除共有通路上，半乳糖代谢、氨基糖与核苷酸糖代谢在根系中特异调控。J876根系中木质素前体代谢物含量降低，myo-肌醇含量显著减少，表明冷敏感系根系细胞壁合成受阻，结构稳定性下降。
3.8 RNA测序数据关键基因的qRT-PCR验证
选取6个类黄酮与木质素代谢相关DEGs进行验证，qRT-PCR与RNA-seq表达趋势一致，相关系数大于0.80，证实转录组数据可靠。
讨论与结论部分指出，低温胁迫下J876因活性氧清除能力不足导致过量积累，伴随细胞壁完整性受损，是其冷敏感的重要原因。苯丙烷代谢是水稻低温响应的核心次级代谢途径，精氨酸与脯氨酸代谢在叶片与根系中均被激活，而类黄酮生物合成与半乳糖代谢分别在叶片与根系中发挥器官特异性调控作用。该研究首次系统揭示了水稻地上与地下部协同应对低温的多组学调控网络，为耐冷品种分子设计育种提供了新的靶点与理论支撑。
