文章標(biāo)題：Systems analysis of long-term heat stress responses in the C4 grass Setaria viridis

發(fā)表期刊：The Plant Cell

影響因子：10.0

C4植物因其獨特的葉片解剖結(jié)構(gòu)和碳濃縮機(jī)制，顯著提高了CO?同化效率，在高溫、干旱及強(qiáng)光環(huán)境下表現(xiàn)出更強(qiáng)的光能捕獲能力和水分利用效率，成為全球糧食安全的重要保障。然而，隨著全球氣候變暖加劇，極端高溫事件頻發(fā)，C4植物在長期熱脅迫下的生長適應(yīng)性與代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)仍存在關(guān)鍵科學(xué)問題。

近期，澳大利亞國立大學(xué)研究團(tuán)隊在The Plant Cell期刊發(fā)表題目為“Systems analysis of long-term heat stress responses in the C4 grass Setaria viridis”的研究論文。該研究通過整合轉(zhuǎn)錄組、代謝組及蛋白質(zhì)組等多組學(xué)技術(shù)，系統(tǒng)解析了C4模式植物狗尾草(Setaria viridis)在長期高溫脅迫下的光合適應(yīng)機(jī)制與分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

為探究長期高溫對狗尾草幼苗的影響，研究設(shè)置兩組處理：Heat組：幼苗正常生長2周后轉(zhuǎn)入高溫環(huán)境（晝42℃/夜32℃）持續(xù)2周至開花；Control組：全程正常溫度（晝28℃/夜20℃）生長4周。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Heat組植株發(fā)育遲緩（圖1A），地上部和根部干重均減少約50%，但根冠比無顯著變化（圖1B-C）；之后植物發(fā)生光合維持：高溫未顯著影響完全展開旗葉的光合能力，在飽和CO?及強(qiáng)光（25℃）下，兩組最大光合速率無差異，表明高溫下碳同化能力未受損（圖2）。綜上可知，長期高溫雖顯著抑制狗尾草生物量積累，但光合機(jī)構(gòu)通過適應(yīng)性調(diào)控維持功能穩(wěn)態(tài)。

2.1 C4循環(huán)

為了進(jìn)一步研究植物長期熱應(yīng)激對C4循環(huán)功能的影響，該研究通過GC/MS代謝物檢測，RNA-seq分析，以及定量蛋白質(zhì)組學(xué)分析參與C4通路的基因表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，核心線軸上C4循環(huán)酶在熱應(yīng)激下顯著降低，但是NADP-ME和RBCS酶卻表現(xiàn)為蛋白質(zhì)的數(shù)量沒有顯著減少（圖3）。C4途徑代謝物DCT/DIT2觀察到蛋白質(zhì)水平卻顯著降低。研究認(rèn)為，它將蘋果酸轉(zhuǎn)運到維管束鞘(BS)細(xì)胞的葉綠體中進(jìn)行脫羧。熱脅迫下植物葉片中蘋果酸顯著積累，但其具體積累位點（細(xì)胞類型或亞細(xì)胞區(qū)室）尚不明確。研究發(fā)現(xiàn)，熱脅迫條件下，ASP-AT/ALA-AT上調(diào) ，冬氨酸代謝加速（底物消耗），以至于C4酸平衡紊亂，葉肉細(xì)胞OAA氧化態(tài)積累，以及蘋果酸還原受阻，最終導(dǎo)致跨細(xì)胞區(qū)室轉(zhuǎn)運增強(qiáng) ，蘋果酸在BS或其他區(qū)室特異性富集（圖3）。

2.2 卡爾文循環(huán)

該研究分析熱應(yīng)激對卡爾文循環(huán)(Calvin-Benson-Bassham, CBB)和光呼吸周期相關(guān)基因表達(dá)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，所有參與CBB循環(huán)的基因在轉(zhuǎn)錄水平上均顯示顯著降低（圖4）。然而，在蛋白水平上，只有磷酸鹽激酶(PRK)在高溫下顯著降低，而其他酶保持不變。

2.３ 光呼吸循環(huán)

在轉(zhuǎn)錄水平上，多數(shù)蛋白表達(dá)都降低，但SGAT、SHMT和HPR的蛋白水平卻是顯著增加（圖4）。伴隨這些變化的還有絲氨酸水平的顯著降低和甘油酸積累的顯著增加（圖4）。另外，參與光呼吸循環(huán)的NH4+同化部分的代謝物，包括谷氨酸和2-氧代戊二酸，在熱應(yīng)激植物中也顯示出顯著減少（圖4）。

M細(xì)胞（葉肉細(xì)胞）和BS細(xì)胞的葉綠體具有線性和環(huán)狀電子傳遞鏈成分，因此，該研究解析熱脅迫下C4植物葉肉細(xì)胞(M)與維管束鞘細(xì)胞(BS)葉綠體電子傳遞鏈的響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，BS細(xì)胞中NADP-ME介導(dǎo)的循環(huán)電子傳遞主導(dǎo)，而光系統(tǒng)II(PSII)相關(guān)基因（如LHCII、psbO/P/Q）的轉(zhuǎn)錄本及蛋白水平顯著降低，導(dǎo)致放氧復(fù)合體功能受損；細(xì)胞色素b6f復(fù)合體(PETA、PETC)及ATP合酶亞基(ATPB/C/F/X)的mRNA和蛋白豐度均下降，且編碼PSI、LHCI的基因轉(zhuǎn)錄普遍抑制，但多數(shù)蛋白水平維持穩(wěn)定。盡管電子傳遞鏈組分表達(dá)整體下調(diào)，熱脅迫下植物仍通過冗余補(bǔ)償機(jī)制（如BS細(xì)胞循環(huán)電子流增強(qiáng)）維持電子傳輸能力（圖5）。

研究通過測定4周齡S. viridis的葉片發(fā)現(xiàn)，熱脅迫植株較對照組淀粉積累量顯著減少（圖6A），而可溶性糖（蔗糖、葡萄糖、果糖）及滲透保護(hù)物質(zhì)（海藻糖、棉子糖、脯氨酸）水平大幅升高（圖6B-D）。同時，熱脅迫下葉片氮含量增加導(dǎo)致碳氮比(C/N)下降近50%，但總蛋白僅輕微上升（圖6E-F）。結(jié)果表明，高溫通過抑制淀粉合成并重編程碳分配，促進(jìn)可溶性糖及其衍生物積累，可能通過滲透調(diào)節(jié)與能量供給協(xié)同緩解熱損傷。

鑒于上述發(fā)現(xiàn)，熱應(yīng)激期間糖和淀粉代謝的大量重編程，該研究檢測編碼酶的基因在淀粉和糖生物合成中的表達(dá)（圖8）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在熱脅迫植物中參與淀粉合成的基因、AGPase大亞基(APL1)和小亞基 (APS1) 、淀粉合酶(SS)和淀粉分枝酶(SBE)蛋白質(zhì)豐度水平上沒有表現(xiàn)出顯著變化。但是，APL1和APS1的轉(zhuǎn)錄水平顯著降低。熱脅迫下，參與蔗糖合成的關(guān)鍵酶(cFBA、cPGI、cPGM、UGP2、SPP)蛋白豐度顯著增加，但其轉(zhuǎn)錄水平(如cFBA、cFBP、SPS)及蔗糖分解酶(SUS、INV)的基因表達(dá)卻普遍下調(diào)或上調(diào)（圖8），這與代謝組學(xué)顯示的蔗糖、葡萄糖、果糖積累（圖7）一致，表明高溫通過轉(zhuǎn)錄后調(diào)控增強(qiáng)蔗糖合成與分解。此外，海藻糖-6-磷酸(T6P)的推定前體（海藻糖）顯著積累，但T6P合成相關(guān)基因(TPS、TPP)的轉(zhuǎn)錄與蛋白均未被檢測。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，棉子糖合成酶優(yōu)先定位于BS細(xì)胞，而水蘇糖合酶(GolS1/2)富集于M細(xì)胞，暗示細(xì)胞分化代謝對熱脅迫下糖類轉(zhuǎn)運與滲透保護(hù)的協(xié)同調(diào)控作用。

高溫顯著抑制了狗尾草的生長發(fā)育（圖1），其激素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)特異性重塑：盡管水楊酸(SA)、茉莉酸(JA)、生長素(IAA)及苯乙酸(PAA)水平無顯著變化，但脫落酸(ABA)激增至對照的20倍（圖9），驅(qū)動抗逆響應(yīng)；同時，熱脅迫植株中IAA失活形式（IAA-天冬氨酸/丙氨酸偶聯(lián)物）特異性積累，通過共軛修飾鈍化生長素信號通路。轉(zhuǎn)錄組分析進(jìn)一步支持JA與油菜素內(nèi)酯(BR)信號增強(qiáng)，而水楊酸(SA)、乙烯(ET)、赤霉素(GA)和細(xì)胞分裂素(CK)通路被抑制，揭示高溫通過ABA主導(dǎo)的抗逆應(yīng)答與生長素失活策略協(xié)同調(diào)控發(fā)育停滯與逆境適應(yīng)。

長期高溫脅迫下，綠色狗尾草(S. viridis)通過三重協(xié)同機(jī)制平衡生長抑制與光合穩(wěn)健性。首先，碳代謝重編程：減少淀粉合成，增加可溶性糖（如蔗糖、脯氨酸）積累，優(yōu)化能量分配與滲透保護(hù)；其次，抗氧化防御增強(qiáng)：激活SOD、APX等酶清除活性氧(ROS)，保護(hù)光合機(jī)構(gòu)（如PSII）免受氧化損傷；最后，C4代謝路徑切換：葉肉葉綠體氧化條件下優(yōu)先利用天冬氨酸替代蘋果酸運輸CO?，維持碳濃縮效率（圖10）。上述機(jī)制協(xié)同保障光合電子傳遞鏈功能，避免光抑制發(fā)生，為解析C4植物耐熱性及作物抗逆改良提供關(guān)鍵理論靶點。