Plant Cell｜澳大利亞國立大學研究團隊揭示狗尾草應對長期高溫的 “生存秘籍”-三重協同機制逆天改命！

文章標題：Systems analysis of long-term heat stress responses in the C4 grass Setaria viridis

發表期刊：The Plant Cell

影響因子：10.0

C4植物因其獨特的葉片解剖結構和碳濃縮機制，顯著提高了CO?同化效率，在高溫、干旱及強光環境下表現出更強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，C4植物在長期熱脅迫下的生長適應性與代謝調控網絡仍存在關鍵科學問題。

近期，澳大利亞國立大學研究團隊在The Plant Cell期刊發表題目為“Systems analysis of long-term heat stress responses in the C4 grass Setaria viridis”的研究論文。該研究通過整合轉錄組、代謝組及蛋白質組等多組學技術，系統解析了C4模式植物狗尾草(Setaria viridis)在長期高溫脅迫下的光合適應機制與分子調控網絡。

為探究長期高溫對狗尾草幼苗的影響，研究設置兩組處理：Heat組：幼苗正常生長2周后轉入高溫環境（晝42℃/夜32℃）持續2周至開花；Control組：全程正常溫度（晝28℃/夜20℃）生長4周。結果發現，Heat組植株發育遲緩（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，但光合機構通過適應性調控維持功能穩態。

2.1 C4循環

為了進一步研究植物長期熱應激對C4循環功能的影響，該研究通過GC/MS代謝物檢測，RNA-seq分析，以及定量蛋白質組學分析參與C4通路的基因表達。研究發現，在大多數情況下，核心線軸上C4循環酶在熱應激下顯著降低，但是NADP-ME和RBCS酶卻表現為蛋白質的數量沒有顯著減少（圖3）。C4途徑代謝物DCT/DIT2觀察到蛋白質水平卻顯著降低。研究認為，它將蘋果酸轉運到維管束鞘(BS)細胞的葉綠體中進行脫羧。熱脅迫下植物葉片中蘋果酸顯著積累，但其具體積累位點（細胞類型或亞細胞區室）尚不明確。研究發現，熱脅迫條件下，ASP-AT/ALA-AT上調 ，冬氨酸代謝加速（底物消耗），以至于C4酸平衡紊亂，葉肉細胞OAA氧化態積累，以及蘋果酸還原受阻，最終導致跨細胞區室轉運增強 ，蘋果酸在BS或其他區室特異性富集（圖3）。

2.2 卡爾文循環

該研究分析熱應激對卡爾文循環(Calvin-Benson-Bassham, CBB)和光呼吸周期相關基因表達的影響。結果發現，與對照組相比，所有參與CBB循環的基因在轉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

在轉錄水平上，多數蛋白表達都降低，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，在熱應激植物中也顯示出顯著減少（圖4）。

M細胞（葉肉細胞）和BS細胞的葉綠體具有線性和環狀電子傳遞鏈成分，因此，該研究解析熱脅迫下C4植物葉肉細胞(M)與維管束鞘細胞(BS)葉綠體電子傳遞鏈的響應。研究發現，BS細胞中NADP-ME介導的循環電子傳遞主導，而光系統II(PSII)相關基因（如LHCII、psbO/P/Q）的轉錄本及蛋白水平顯著降低，導致放氧復合體功能受損；細胞色素b6f復合體(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的基因轉錄普遍抑制，但多數蛋白水平維持穩定。盡管電子傳遞鏈組分表達整體下調，熱脅迫下植物仍通過冗余補償機制（如BS細胞循環電子流增強）維持電子傳輸能力（圖5）。

研究通過測定4周齡S. viridis的葉片發現，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）及滲透保護物質（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致碳氮比(C/N)下降近50%，但總蛋白僅輕微上升（圖6E-F）。結果表明，高溫通過抑制淀粉合成并重編程碳分配，促進可溶性糖及其衍生物積累，可能通過滲透調節與能量供給協同緩解熱損傷。

鑒于上述發現，熱應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（圖8）。結果發現，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)蛋白質豐度水平上沒有表現出顯著變化。但是，APL1和APS1的轉錄水平顯著降低。熱脅迫下，參與蔗糖合成的關鍵酶(cFBA、cPGI、cPGM、UGP2、SPP)蛋白豐度顯著增加，但其轉錄水平(如cFBA、cFBP、SPS)及蔗糖分解酶(SUS、INV)的基因表達卻普遍下調或上調（圖8），這與代謝組學顯示的蔗糖、葡萄糖、果糖積累（圖7）一致，表明高溫通過轉錄后調控增強蔗糖合成與分解。此外，海藻糖-6-磷酸(T6P)的推定前體（海藻糖）顯著積累，但T6P合成相關基因(TPS、TPP)的轉錄與蛋白均未被檢測。研究進一步發現，棉子糖合成酶優先定位于BS細胞，而水蘇糖合酶(GolS1/2)富集于M細胞，暗示細胞分化代謝對熱脅迫下糖類轉運與滲透保護的協同調控作用。

高溫顯著抑制了狗尾草的生長發育（圖1），其激素調控網絡呈現特異性重塑：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），驅動抗逆響應；同時，熱脅迫植株中IAA失活形式（IAA-天冬氨酸/丙氨酸偶聯物）特異性積累，通過共軛修飾鈍化生長素信號通路。轉錄組分析進一步支持JA與油菜素內酯(BR)信號增強，而水楊酸(SA)、乙烯(ET)、赤霉素(GA)和細胞分裂素(CK)通路被抑制，揭示高溫通過ABA主導的抗逆應答與生長素失活策略協同調控發育停滯與逆境適應。

長期高溫脅迫下，綠色狗尾草(S. viridis)通過三重協同機制平衡生長抑制與光合穩健性。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，優化能量分配與滲透保護；其次，抗氧化防御增強：激活SOD、APX等酶清除活性氧(ROS)，保護光合機構（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）。上述機制協同保障光合電子傳遞鏈功能，避免光抑制發生，為解析C4植物耐熱性及作物抗逆改良提供關鍵理論靶點。