综合转录组学与代谢组学分析揭示桃(Prunus persica)耐热性的分子机制

《Scientia Horticulturae》：Integrated transcriptomic and metabolomic analyses reveal mechanisms of thermotolerance in peach (Prunus persica)

全球气候变化导致高温胁迫(high temperature stress / heat stress)日益威胁桃(Prunus persica)的大规模生产。为探究桃耐热性的分子基础，研究人员采用整合生理、转录组(transcriptomic)及代谢组(metabolomic)分析方法，比较了耐热品种'Zhe Zhen'与热敏感品种'Kang Zhen'。生理测定显示，高温胁迫下'Zhe Zhen'表现出较低的电解质渗漏率(electrolyte leakage)、H2O2和丙二醛(malondialdehyde, MDA)积累量减少，以及较高的抗氧化酶活性〔过氧化氢酶(catalase, CAT)、过氧化物酶(peroxidase, POD)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)〕，表明其细胞膜稳定性更强。转录组分析显示'Zhe Zhen'发生了更广泛的转录重编程，包括光系统修复(PsbY)、电子传递(FD3)和ATP合成(ATPC1)相关基因的高表达。代谢组鉴定到5177种代谢物，'Zhe Zhen'表现出更强的代谢调整及淀粉与蔗糖代谢、类黄酮生物合成和次级代谢通路的富集。整合多组学分析进一步表明，'Zhe Zhen'优先积累保护性糖类——蔗糖(sucrose)、棉子糖(raffinose)和D-甘露糖(D-mannose)，且脱落酸(abscisic acid, ABA)和水杨酸(jasmonic acid, JA)相关信号通路激活增强。此外，若干类黄酮如芹菜素-7-O-葡萄糖苷(apigenin 7-O-glucoside)、木犀草素(luteolin)衍生物及槲皮素-3-龙胆二糖苷(quercetin 3-gentiobioside)显著富集，并与热激蛋白(heat shock proteins, HSPs)、谷胱甘肽S-转移酶(glutathione S-transferases, GSTs)及MYB、bZIP和HSF转录因子家族组成的应激响应基因网络共表达。综上，这些结果说明抗氧化防御、激素信号、糖代谢及类黄酮生物合成的协同调控是'Zhe Zhen'具有优良耐热性的基础。本研究为桃耐热机制提供了新见解，并为培育耐热品种提供了潜在靶点。

论文解读：综合转录组学与代谢组学分析揭示桃(Prunus persica)耐热性的分子机制

该研究发表于《Scientia Horticulturae》。桃(Prunus persica)是重要的温带果树，全球气候变暖导致的高温事件频发严重威胁桃栽培，造成花粉活力下降、坐果减少、果实品质劣变及砧木光合受抑。尽管已有研究表明砧木可影响核果类果树抗逆性，但桃尤其是桃砧木耐热性的分子机制尚不清楚。为阐明其耐热分子与代谢基础并为耐热育种提供候选靶标，研究人员选用具明显耐热差异的桃砧木品种——耐热'Zhe Zhen'(ZZ)与热敏感'Kang Zhen'(KZ)，通过整合生理指标测定、转录组测序(RNA-seq)及非靶向代谢组学(LC-MS)，系统比较两品种在高温胁迫(45 °C, 0/12/24 h)下的响应差异，并利用加权基因共表达网络分析(WGCNA)挖掘关键调控网络。

主要关键技术方法：

以耐热桃砧木'Zhe Zhen'和热敏感桃砧木'Kang Zhen'扦插生根幼苗为材料，设置45 °C高温处理0 h、12 h、24 h及对照(25 °C)，取顶端第6片叶进行三项检测——(1)生理指标：电解质渗漏率、H₂O₂含量、MDA含量及CAT/POD/SOD酶活性；(2)转录组：Illumina Novaseq6000测序，比对桃参考基因组(Prunus persica v2.0)，筛选差异表达基因(differentially expressed genes, DEGs, |log₂FC|≥1, FDR<0.05)，GO与KEGG富集分析，qPCR验证；(3)非靶向代谢组：UHPLC-QTOF MS检测，筛选差异积累代谢物(differentially accumulated metabolites, DAMs, VIP≥1, |log₂FC|>1, adj. P<0.05)，KEGG注释；(4)加权基因共表达网络分析(WGCNA)整合转录-代谢数据鉴定类黄酮关联模块及枢纽基因。三组生物学重复，各时间点独立采样。

3.1. Physiological responses of Kang Zhen and Zhe Zhen to heat stress（抗热与热敏感桃砧木对高温胁迫的生理响应）

经45 °C处理24 h并恢复后，KZ叶片严重萎蔫损伤，ZZ仅轻微受害。生理测定表明ZZ在高温下电解质渗漏率、H₂O₂和MDA含量均显著低于KZ，而CAT、POD和SOD酶活性显著高于KZ，说明ZZ细胞膜受损较轻且活性氧(reactive oxygen species, ROS)清除能力更强。

3.2. Transcriptomic responses of Kang Zhen and Zhe Zhen to heat stress（抗热与热敏感桃砧木对高温胁迫的转录组响应）

RNA-seq显示两品种经热处理后DEGs数量增加，ZZ在12 h(7254个)和24 h(8931个)检出DEGs多于KZ。ZZ与KZ比较组的GO富集显示热处理后出现ROS响应("response to reactive oxygen species")、解毒及茉莉酸(jasmonic acid, JA)代谢过程条目；KEGG富集显示ZZ中淀粉与蔗糖代谢(starch and sucrose metabolism)、苯丙烷类生物合成(phenylpropanoid biosynthesis)、类黄酮生物合成(flavonoid biosynthesis)通路显著富集，表明ZZ启动了更广泛且特异的转录重编程。

3.3. Photosynthesis- and antioxidant-related responses in Kang Zhen and Zhe Zhen under heat stress（高温胁迫下光合与抗氧化相关基因的转录响应）

热胁迫下两品种光系统II(photosystem II, PSII)、光系统I(photosystem I, PSI)、电子传递链及ATP合酶相关基因总体下调，但ZZ中PsbY(PSII修复相关)、FD3(铁氧还蛋白, ferredoxin)、ATPC1(ATP合酶γ亚基)表达降幅较小或维持较高水平，提示ZZ能较好维持光合装置修复与能量平衡。抗氧化酶基因如SOD(Prupe.6G112800等)、POD(Prupe.4G186300等)、CAT(Prupe.5G011300/5G011400)在ZZ对照及热处理后均呈更高转录水平，与生理酶活性测定结果吻合。

3.4. Plant hormone signal transduction in Kang Zhen and Zhe Zhen under heat stress（高温胁迫下植物激素信号转导基因的响应）

八大类激素信号通路DEGs热图显示，ABA途径PP2C、ABF(abscisic acid-responsive element-binding factor)，乙烯(ethylene)途径EIN1/EIN2/EBF1/2，JA途径MYC2及水杨酸(salicylic acid, SA)途径TGA在热胁迫下普遍上调，其中ABA与JA核心转录因子ABF和MYC2在ZZ中诱导幅度更大，表明ZZ中胁迫激素信号转导被更强烈激活。

3.5. Metabolic responses of Kang Zhen and Zhe Zhen in response to heat stress（高温胁迫下的代谢组响应）

LC-MS共鉴定5177种代谢物。ZZ较KZ产生更多差异积累代谢物(DAMs：ZZ 12 h 1924个，24 h 3348个；KZ 12 h 1637个，24 h 2078个)。KEGG富集显示ZZ中DAMs在淀粉与蔗糖代谢、果糖与甘露糖代谢(fructose and mannose metabolism)、类黄酮生物合成、黄酮与黄酮醇生物合成(flavone and flavonol biosynthesis)及异黄酮生物合成(isoflavonoid biosynthesis)通路显著富集，表明ZZ进行了更显著的代谢重塑。

3.6. Molecular and metabolic alterations in sugar metabolism under heat stress（高温胁迫下糖代谢的分子与代谢变化）

与KZ相比，ZZ在高温下D-葡萄糖(D-glucose)和D-果糖(D-fructose)相对含量较低或相当，但蔗糖(sucrose)于24 h显著升高，棉子糖(raffinose)于0 h和12 h偏高，D-甘露糖(D-mannose)于0 h和24 h偏高。对应基因表达显示α-淀粉酶(alpha-amylase, AMY; Prupe.1G268300)、β-淀粉酶(beta-amylase, BAM; Prupe.2G169900/2G170000)及棉子糖合酶(raffinose synthase, RAF; Prupe.2G073100/7G248600)在ZZ中热诱导表达更强，说明ZZ通过上调糖代谢相关基因促进保护性寡糖/二糖积累。

3.7. Integrated WGCNA identifies flavonoid-associated gene modules under heat stress（整合WGCNA鉴定高温胁迫下类黄酮关联基因模块）

筛选在ZZ热胁迫12 h和24 h持续上调且与KZ有差异的5种类黄酮：6,7,4′-三羟基-3-甲氧基黄酮(6,7,4′-Trihydroxy-3-methoxyflavone)、槲皮素-3-龙胆二糖苷(quercetin 3-gentiobioside)、芹菜素-7-O-葡萄糖苷(apigenin 7-O-glucoside)、木犀草素-7-(6″-对苯甲酰葡萄糖苷)[luteolin 7-(6′′-p-benzoylglucoside)]及槐黄烷酮B(sophoraflavanone B)。WGCNA构建15个共表达模块，其中black模块(724个基因)与这5种类黄酮呈强正相关。该模块富集钙信号(CP1)、热激蛋白(HSP15.7, HSP17.8, HSP26.5)、抗氧化防御〔谷氧还蛋白GRXS17、谷胱甘肽S-转移酶GSTU19/GSTU25、抗坏血酸过氧化物酶APX2〕、UDP-糖基转移酶(UDP-glycosyltransferases, UGTs; UGT85A7/UGT88A1/UGT71C4)及转录因子MYB、NAC、热激因子(heat shock factors, HSFs)、bZIP家族，表明类黄酮积累受含HSPs-GSTs-TFs-UGTs的协同调控网络控制。

讨论与结论翻译：

讨论指出，ZZ耐热性依赖于多层次的协同调控：①光合相关基因PsbY、FD3、ATPC1维持较高表达有助于保护光合机构与能量稳态；②更强的抗氧化酶基因表达及酶活性降低ROS伤害；③ABA与JA信号组分(ABF、MYC2)更强烈激活，可能介导下游抗氧化与代谢应答；④糖代谢重编程促使蔗糖、棉子糖、D-甘露糖积累发挥渗透调节与ROS清除作用；⑤类黄酮(尤其apigenin 7-O-glucoside、quercetin 3-gentiobioside等)经MYB/HSF/bZIP-HSP-GST-UGT共表达网络上调，参与ROS清除与膜稳定。以上过程相互整合构成ZZ耐热机制。

Conclusion（研究结论）：

基于整合生理测定与多组学分析，研究表明抗氧化能力增强、策略性代谢重编程及协调的植物激素信号转导与桃品种'Zhe Zhen'优越的耐热性相关联。与热敏感品种'Kang Zhen'相比，'Zhe Zhen'在高温胁迫下表现出较低氧化损伤、较强抗氧化酶活性及更广泛的转录与代谢响应。这些发现为桃植株高温胁迫响应的生理与分子基础提供了新认识，并有助于理解多年生果树耐热机制，未来应聚焦于候选基因与代谢物的功能验证及其在桃耐热育种中的应用评价。