王雁楠陳金金卞倩倩胡琳琳張 莉尹雨萌喬守晨曹郭鄭康志河趙國瑞楊國紅楊育峰,*

1河南省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所, 河南鄭州 450002;2鄭州大學農(nóng)學院, 河南鄭州 450001;3河南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所, 河南鄭州 450002

甘薯(Ipomoea batatas(L.) Lam.)是重要的糧食、飼料、淀粉(及其制品)生產(chǎn)原料以及替代性生物能源作物, 我國甘薯種植面積和產(chǎn)量均居世界首位[1]。近年來, 甘薯逐漸餐桌化, 成為人們調節(jié)飲食結構的重要食物來源, 其種植效益也逐漸提升, 成為諸多地方鄉(xiāng)村振興的主推作物。在種植模式上, 甘薯經(jīng)常與玉米、煙葉、芝麻、果樹等進行套種以充分利用空間和地力, 獲得更高的產(chǎn)量和經(jīng)濟效益。然而作為喜光作物, 甘薯在套種栽培模式中經(jīng)常處于低位被遮陰, 嚴重影響了其產(chǎn)量的形成。同時, 甘薯生長中后期經(jīng)常面臨陰雨寡照天氣而影響其干物質的積累。因此, 解析甘薯在遮陰脅迫下的代謝響應途徑可為其耐蔭性品種改良提供理論依據(jù)。

一般認為植物響應遮陰的策略有避蔭性(shade avoidance)和耐蔭性(shade tolerance)[2]。典型的避蔭性反應有葉片上仰、莖伸長、減少分枝及葉片發(fā)育異常、早花等[3-4]。在遮陰條件下, 紅光/遠紅光(R/FR)比值降低, 光敏色素變?yōu)榉羌せ顟B(tài)(Pr), 導致PIFs(phytochrome interacting factors, PIF4、PIF5、PIF7)的積累, 進而激活生長素、赤霉素、油菜素內(nèi)酯、細胞分裂素以及乙烯合成(或運輸)途徑中的E-box和G-box目標基因, 從而促進細胞伸長[5-6]。避蔭性反應對于農(nóng)作物的生長是不利的, 阻礙了植株生物量的擴大和籽粒產(chǎn)量的增加[7]。耐蔭性則主要表現(xiàn)為比葉面積(specific leaf area, SLA)增加、葉綠素a/b比值降低以及增加光合系統(tǒng)II和光合系統(tǒng)I的比值,也就是增加碳源的獲取[8-9]。當環(huán)境中的R/FR比值降低時, 耐蔭性植物會通過不同植物激素的合成以及響應來抑制自身的避蔭性反應, 同時還會觸發(fā)一些避蔭性反應的拮抗調節(jié)因子。例如擬南芥屬于避蔭性植物, 但遮陰條件同樣會誘導其合成非典型性(非DNA結合性)的bHLH蛋白(如HFR1、PAR1、PAR2)來抵抗自身的避蔭性反應[10-11]。遮陰條件在影響植物光合效率的同時, 也會導致葉片的衰老, Brouwer等[12]的研究表明, 只有強遮陰條件會誘發(fā)葉片的衰老, 弱遮陰條件下擬南芥則會進行光合作用的自適應調節(jié)以及碳源的優(yōu)化分配。遮陰對農(nóng)作物的品質也會產(chǎn)生顯著影響, 番茄葉片或果實遮陰顯著降低了果實中抗壞血酸的含量及其合成相關基因的表達, 進而影響了番茄果實品質[13]。黑暗遮陰后, “龍井43”茶葉中生物堿、兒茶素類及兒茶素二聚體類等物質含量顯著上升, 氨基酸含量顯著下降, 酚氨比顯著上升[14]。

目前, 有關甘薯響應遮陰脅迫的報道較少, 王慶美等[15-16]研究表明, 遮陰脅迫使紫心甘薯塊根總淀粉含量、淀粉積累速率、花青素含量顯著降低, 并從酶活角度探討了塊根淀粉品質發(fā)生改變的主要原因。趙習武等[17]研究了不同遮陰處理對4種觀賞甘薯光合特性的影響, 認為“黑美人”耐蔭性最強。周雅倩等[18]又利用主成分分析法對6種觀賞甘薯的耐弱光性進行了評價。蔣亞[19]對29個不同甘薯品種(系)進行耐蔭性評價, 測定分析了其中5個不同耐蔭性甘薯品種的農(nóng)藝性狀、光合特性、逆境生理等生理生化及產(chǎn)量品質指標, 深入研究了甘薯對弱光的生理響應?？梢钥闯? 甘薯耐蔭性相關研究主要集中在遮陰脅迫后甘薯的農(nóng)藝性狀及生理指標變化方面,缺少對遮陰脅迫下整體代謝通路變化的研究。本研究以甘薯品種鄭紅23號為材料, 研究了遮陰處理對其生理指標的影響, 并通過轉錄組與代謝組聯(lián)合分析揭示了遮陰條件下甘薯的主要代謝響應途徑, 為甘薯耐蔭性遺傳改良提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料與遮陰處理方法

試驗于2021年夏季在河南省農(nóng)業(yè)科學院進行,試驗材料為甘薯品種鄭紅23號。剪取狀態(tài)一致的鄭紅23號大田莖尖苗8株(約20 cm, 3～4莖節(jié)), 用基質土種于營養(yǎng)缽內(nèi)并置于室外自然光下返苗, 待植株充分返苗且生長狀態(tài)旺盛時(17 d后)再進行遮陰處理。返苗后取4株(重復)采用聚乙烯遮陰網(wǎng)進行遮陰處理(透光率約為50%), 其余4株置于自然光下生長。遮陰15 d后進行各項生理指標測定并取葉片樣品用液氮冷凍后保存于-80℃冰箱, 生理指標的測定均為4次生物學重復取平均值。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 葉綠素含量 取主莖同葉位功能葉0.2 g,切碎成細絲后裝入10 mL離心管, 加入10 mL 95%乙醇, 黑暗浸泡約48 h直至完全褪綠, 期間可搖晃試管, 此即為葉綠素浸提液。測定浸提液在665 nm(葉綠素a)及649 nm (葉綠素b)的吸光值, 空白溶液為95%乙醇。葉綠素a濃度Ca=13.95×A665-6.88×A649,葉綠素b濃度Cb=24.96×A649-7.32×A665, 色素含量(mg g-1FW)=色素的濃度(C)×提取液體積×稀釋倍數(shù)/樣品鮮重。

1.2.2 葉片光合及葉綠素熒光參數(shù) 利用便攜式光合儀CIRAS-3測定光照和遮陰條件下鄭紅23號的光合相關參數(shù)。使用Pocket PEA植物效率分析儀(Hansatech)測定葉綠素熒光參數(shù), 葉片進行暗適應20 min后, 避開葉脈使葉片在飽和脈沖光3500 μmol m-2s-1中暴露1 s后, 測定葉綠素光系統(tǒng)PSII最大光化學效率(Fv/Fm)、PSII潛在活性(Fv/Fo)和光合性能綜合指數(shù)(PIABS)。

1.2.3 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)及過氧化物酶(peroxidase, POD)活性 取同葉位成熟葉樣品, 使用索萊寶試劑盒(BC0175、BC0095)測定SOD和POD活性。

1.2.4 蔓長、莖節(jié)數(shù)、比葉面積、根鮮重 用尺子測量光照和遮陰條件下鄭紅23號植株主莖從莖基部到頂芽的長度即為蔓長, 同時測定主莖從莖基部到頂芽的莖節(jié)數(shù)。取各植株主莖同葉位功能葉,用打孔器(打孔半徑0.25 cm)在其上取40個圓片,80℃烘干16 h至恒重, 比葉面積(cm2g-1)=葉片面積/葉片干重。將植株從營養(yǎng)缽內(nèi)小心挖出, 將根系洗凈晾干后稱量鮮重。

1.3 轉錄組、代謝組聯(lián)合分析

遮陰結束后取光照和遮陰條件下的葉片樣品液氮凍存, 每處理包括4棵植株, 每植株取3片葉混合。由北京諾禾致源公司進行轉錄組測序及類靶向代謝組的分析。

采用Illumina Novaseq平臺對轉錄組進行測序,使用HISAT2將clean reads與甘薯近緣野生種Ipomoea triloba(I. triloba)的參考基因組(http://sweetpotato.uga.edu/index.shtml)進行比對。featureCounts(1.5.0-p3)用于計算映射到每個基因的讀數(shù), 然后根據(jù)基因的長度計算每個基因的FPKM, 用DEseq2檢測差異表達基因(DEGs), 用clusterProfiler (3.8.1)軟件進行差異表達基因的GO富集和KEGG富集。

采用LC-MS方法對代謝組進行檢測, 代謝物的鑒定基于諾禾致源自建數(shù)據(jù)庫novoDB, 采用多反應監(jiān)測模式(MRM)對試驗樣本進行檢測, 采用SCIEX OSV1.4軟件對色譜峰進行分析并得到代謝物定性和定量結果, 使用KEGG數(shù)據(jù)庫、HMDB數(shù)據(jù)庫和LIPIDMaps數(shù)據(jù)庫對鑒定到的代謝物進行注釋。使用R語言進行火山圖繪制、聚類熱圖繪制、差異代謝物相關性分析、氣泡圖繪制。之后對差異代謝物與差異表達基因進行關聯(lián)分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2019對數(shù)據(jù)進行分析并作圖, 采用SPSS19.0進行方差分析和差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 遮陰脅迫對鄭紅23號形態(tài)及生理指標的影響

從圖1及表1可以看出, 鄭紅23號在50%透光率的遮陰脅迫下仍然能正常生長, 但是其蔓長相較于自然光照下顯著增加, 莖節(jié)數(shù)則變化不顯著, 說明莖節(jié)顯著伸長; 遮陰脅迫下葉片變大, 比葉面積顯著增加; 此外, 自然光照下的鄭紅23號已出現(xiàn)膨大塊根, 而遮陰脅迫下植株根系仍以須根為主, 根鮮重顯著降低。從表1同時看出, 遮陰脅迫顯著提高了鄭紅23號葉片SOD酶和POD酶的活性。

表1 遮陰脅迫對鄭紅23號植株形態(tài)指標及葉片酶活的影響Table 1 Effects of shade stress on plant morphological indexes and leaf enzymatic activity of Zhenghong 23

圖1 鄭紅23號自然光照與遮陰脅迫下的植株形態(tài)對比Fig. 1 Comparison of plant morphology of Zhenghong 23 under natural light and shade stress

從表2可知, 遮陰脅迫對鄭紅23號葉綠素a的含量沒有顯著影響, 葉綠素b以及總葉綠素含量在遮陰后均顯著提高, 葉綠素a/b則顯著下降。葉綠素光系統(tǒng)PSII最大光化學效率(Fv/Fm)、PSII潛在活性(Fv/Fo)和光合性能綜合指數(shù)(PIABS)在遮陰脅迫下均顯著下降。光合參數(shù)方面(表3), 遮陰脅迫顯著降低了鄭紅23號的凈光合速率和水分利用效率, 胞間CO2濃度顯著提高, 蒸騰速率、氣孔導度以及水汽壓虧缺在遮陰脅迫下則未發(fā)生顯著變化。說明, 遮陰脅迫對鄭紅23號的植株形態(tài)及生理指標均發(fā)生了顯著影響。

表2 遮陰脅迫對鄭紅23號葉綠素含量(mg g-1FW)及熒光特性的影響Table 2 Effects of shade stress on chlorophyll content (mg g-1FW) and fluorescence characteristics of Zhenghong 23

表3 遮陰脅迫對鄭紅23號光合參數(shù)的影響Table 3 Effects of shade stress on photosynthetic parameters of Zhenghong 23

2.2 轉錄組數(shù)據(jù)組裝質量分析

為研究鄭紅23號響應遮陰脅迫的主要代謝途徑, 對遮陰脅迫(shade, S)和自然光照(light, L)下的葉片樣品進行了RNA-seq。結果表明, 相同生物學重復間相關性較好,R2范圍在0.852～1.000; 遮陰和光照樣品間相關系數(shù)R2范圍在0.729～0.839 (圖2-a)。8個樣品RNA-seq文庫獲得的Clean reads同甘薯近源野生二倍體I. triloba基因組的比對率在69.64%～72.72%, 比對到單一位置的比例在67.16%～70.06%。各樣品Q30堿基百分比在92.72%～93.30%。說明試驗取樣合理, RNA-seq數(shù)據(jù)質量可靠(表4)。

表4 樣品RNA-seq質量Table 4 RNA-seq quality of samples

圖2 RNA-seq樣品相關性熱圖(a)及代謝組各樣品間的主成分分析(b)Fig. 2 Heatmap of the Pearson correlation between RNA-seq samples (a) and principal component analysis plots of samples in metabolome (b)S: 遮陰; L: 光照。S: shade treatment; L: light treatment.

2.3 差異表達基因分析

RNA-seq結果表明, 遮陰脅迫下(S)鑒定出19,888個表達基因, 自然光照下(L)鑒定出20,050個表達基因, 其中二者共表達基因數(shù)為18,889個(圖3-a)。以|log2(Fold Change)|≥1且Padj≤0.05為標準, S vs. L共篩選出2632個差異表達基因(DEGs),包含715個上調表達基因和1917個下調表達基因(圖3-b)。

圖3 遮陰脅迫和自然光照下鑒定出的表達基因數(shù)(a)和差異表達基因數(shù)(b)Fig. 3 Number of total genes (a) and DEGs (b) identified under shade stress and natural light conditionsS: 遮陰; L: 光照。S: shade treatment; L: light treatment.

對差異表達基因進行GO功能富集, 共1666個基因被顯著富集于70個功能類中, 富集顯著性最高的3個功能類依次為cell periphery、calcium ion binding和protein ubiquitination, 而富集差異基因數(shù)最多的功能類則為 DNA-binding transcription factor activity (81個) (圖4-a)。KEGG通路富集分析顯示, 富集顯著性排名前3的通路依次為plantpathogen interaction、phenylpropanoid biosynthesis和pentose and glucuronate interconversions, 分別富集到57個、42個以及19個DEGs (圖4-b)。富集結果說明遮陰脅迫對甘薯造成了復雜的分子生物學影響。

圖4 差異表達基因GO富集中顯著性排名前30的功能類(a)和KEGG富集中顯著性排名前20的通路(b)Fig. 4 Top 30 function terms significantly enriched by GO (a) and the top 20 pathways significantly enriched by KEGG (b)BP: 生物過程; CC: 細胞組成; MF: 分子功能。柱上數(shù)字代表富集到的差異基因個數(shù)。縱坐標為顯著性水平, 數(shù)值越高越顯著。BP: biological process; CC: cellular component; MF: molecular function. Numbers of DEGs enriched are marked above the bars. The higher the ordinate value is, the more significant the enrichment is.

2.4 差異代謝物分析

代謝組數(shù)據(jù)表明, 在S和L組樣品中共檢測出1185種代謝物, 主成分分析(PCA)結果表明, 第一主成分能解釋總方差的42.69%, 第二主成分能解釋總方差的17.63%, 兩者可將不同處理明顯區(qū)分開來(圖2-b)。以VIP＞1.0、差異倍數(shù)FC＞1.5或FC＜0.667且P-value＜0.05為條件篩選出差異代謝物(differential metabolite, DM) 420種, S vs. L顯著上調的有113種, 顯著下調的有307種。對差異顯著性排名前20的DMs進行相關性分析, 結果顯示不同DMs之間正(負)相關系數(shù)的絕對值在0.673～0.999,相關性較高, 說明差異顯著的DMs間趨同(異)變化明顯(圖5-a)。KEGG通路富集顯示, 差異代謝物主要富集于galactose metabolism、flavone and flavonol biosynthesis和alpha-linolenic acid metabolism, 分別富集到14個、8個以及3個DMs (圖5-b)。

圖5 Top20差異代謝物相關性圖(a)及差異代謝物KEGG富集氣泡圖(b)Fig. 5 Correlation chart of the Top20 DMs (a) and the bubble chart of the KEGG enrichment of DMs (b)(a) 紅色代表正相關, 藍色代表負相關, 沒有顏色的點表示無顯著相關性(P＞ 0.05)。(b) 氣泡顏色與大小代表富集可信度及富集到的差異代謝物數(shù)目。-log10(P-value)越大, 富集可信度越高。S: 遮陰; L: 光照。(a): the red shape indicates the positive correlation and blue indicates the negative correlation. The dot with no color means the correlation is not significant atP＞ 0.05. (b): the color and size of the bubble represent the enrichment reliability and the number of DMs enriched, respectively. The bigger the -log10(P-value) is, the more reliable the enrichment is. S: shade treatment; L: light treatment.

2.5 轉錄組與代謝組關聯(lián)分析

為確定DMs與DEGs的相關性, 對二者基于皮爾森相關系數(shù)進行相關性分析, 相關系數(shù)小于0時,為負相關; 大于0時, 為正相關。圖6-a展示了Top50的DMs與Top100的DEGs之間的相關性分析, 可以看出, DMs與DEGs之間更多地表現(xiàn)為正相關, 且同一DM與不同DEGs的相關性方向(正/負)保持一致。對DMs和DEGs分別進行KEGG富集后獲得二者的共有富集通路(圖6-b), 可信度排名前十的代謝通路為半乳糖、α-亞麻酸、單萜、淀粉和蔗糖、鞘脂、葉酸、精氨酸、糖酵解及糖異生、苯丙素、亞油酸。其中可能與植物逆境脅迫響應相關的途徑主要有半乳糖、淀粉和蔗糖、鞘脂、精氨酸、糖酵解及糖異生、苯丙素。

(圖6)

苯丙素合成途徑富集到的42個DEGs共編碼5種酶: beta-Glucosidase、SAM-dependent methyltransferase、peroxidase、phenylalanine ammonia-lyase、UDP-glucosyl transferase。該途徑共檢測到7個DMs, 除spermidine外, 其余代謝物均在遮陰脅迫下含量降低(圖7-a), DEGs與DMs間的相關性均達到了顯著水平(圖7-b)。半乳糖代謝、淀粉和蔗糖代謝、糖酵解及糖異生均與糖代謝相關, 合并去重后3個途徑共篩選到38個DEGs和19個DMs,38個DEGs共編碼20種酶。19個差異代謝物中僅UDP-galactose和phosphoenolpyruvate在遮陰脅迫下含量提高, 其他均含量降低(圖8-a), DEGs與DMs間的相關性也均達到了顯著水平(圖8-b)。鞘脂類物質是生物膜的主要結構成分, 同時參與多種信號轉導途徑, 在植物生長、發(fā)育和脅迫應答過程中發(fā)揮重要作用[20-21], 本研究中遮陰脅迫下鞘脂類物質磷酸乙醇胺(O-phosphorylethanolamine)和4-羥基鞘氨醇(4-D-hydroxysphinganine)含量分別是自然光照下的5.19倍和1.68倍。精氨酸是植物多胺、一氧化氮、脯氨酸、谷氨酸、氨基丁酸等的生物合成前體, 而多胺、一氧化氮則作為信號分子廣泛參與植物的生長發(fā)育和逆境響應[22]。遮陰脅迫下精氨酸合成途徑中的鳥氨酸、瓜氨酸和精氨酸分別是自然光照下的8.63倍、4.31倍和1.43倍, 而谷氨酰胺(L-glutamine)、精氨基琥珀酸(L-argininosuccinate)以及酮戊二酸(ketoglutaric acid)的含量則有所下降。

圖7 苯丙素合成途徑DMs的含量熱圖(a)以及DMs與DEGs之間的相關性熱圖(b)Fig. 7 Content heatmap of DMs enriched in the phenylpropanoid biosynthesis pathway (a) and correlation heatmap of the DMs and DEGs enriched in this pathway (b)

圖8 糖代謝相關途徑DMs的含量熱圖(a)以及DMs與DEGs之間的相關性熱圖(b)Fig. 8 Content heatmap of DMs enriched in the sugar metabolism related pathways (a) and correlation heatmap of the DMs and DEGs enriched in these pathways (b)

3 討論

3.1 遮陰對甘薯形態(tài)及生理指標的影響

通過對甘薯品種鄭紅23號進行遮陰脅迫處理發(fā)現(xiàn), 其蔓長、比葉面積、根鮮重、SOD和POD活性、葉綠素含量、葉綠素熒光參數(shù)、光合參數(shù)等形態(tài)和生理指標與自然光照相比均發(fā)生了顯著變化。葉綠素a/b顯著降低、比葉面積顯著增加以及總葉綠素含量的顯著增加都是植株為了獲取更多的碳源而出現(xiàn)的耐蔭性響應, 而蔓長、莖節(jié)數(shù)的增加則是避蔭性反應[2,9]。一般認為, 葉綠素a主要吸收長波光, 而葉綠素b主要吸收短波光, 較大比例的葉綠素b更有利于吸收弱光中占優(yōu)勢的藍紫光。蔣亞[19]研究表明, 遮陰處理顯著提高了5個甘薯品種的葉綠素b及總葉綠素含量, 其中4個品種的葉綠素a含量顯著提高, 葉綠素a/b則均顯著降低, 這與本研究結果一致。李偉等[23]對黃瓜幼苗進行弱光脅迫后, 葉片葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素均極顯著提高; 凈光合效率、氣孔導度、蒸騰速率和水分利用效率顯著降低, 胞間CO2濃度則顯著提高; 光系統(tǒng)PSII中Fv/Fm呈增大趨勢。而付景[24]研究表明, 玉米在遮陰脅迫下吐絲期葉片的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素的含量以及葉綠素a/b較自然光照均呈現(xiàn)無規(guī)律變化。可見, 光合系統(tǒng)在應對弱光脅迫時因物種及其發(fā)育階段而異。在正常光照或強光照下, 植物葉片通常發(fā)育較厚, 比葉面積值(SLA)較低, 而低SLA值也意味著在弱光條件下單位質量的葉片具有較低的光源捕獲面積。因此, 植物在弱光下會提高SLA值從而獲取更多光能[25]。本研究中, 鄭紅23號的SLA值在遮陰脅迫下是正常光照下的2.16倍, 達到極顯著差異, 說明遮陰觸發(fā)了其強烈的耐蔭性響應以通過光合作用獲取更多碳源。然而弱光下的碳源獲取仍不能支撐其根系的膨大, 遮陰脅迫下鄭紅23號的平均根鮮重僅為1.2 g, 而光照條件下為17.9 g,根系已明顯開始膨大(圖1), 說明遮陰對鄭紅23號的產(chǎn)量影響較大。

3.2 苯丙素合成途徑對甘薯遮陰脅迫的響應

苯丙素合成途徑以苯丙氨酸(莽草酸合成途徑終產(chǎn)物)為起始, 涉及到的芳香類代謝物有8000余種, 光照、葡萄糖、溫度、鹽、干旱、病菌侵染、昆蟲取食等都能調控苯丙素合成途徑, 而其最主要的分支途徑為木質素合成途徑和類黃酮合成途徑[26-27]。植物在受到鹽、干旱等非生物脅迫時, 體內(nèi)會積累活性氧(ROS), 而ROS會對植物造成二次傷害。轉錄組聯(lián)合代謝組分析表明, 苦豆子在受到鹽脅迫后會觸發(fā)苯丙素合成途徑中木質素類和類黃酮類物質的合成, 二者會參與到根部ROS的清除[28]。超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶, 在植物受非生物脅迫時其活性會提高從而起到清除體內(nèi)活性氧、維持氧化還原平衡的作用[29-30], 而POD也是木質素合成的關鍵調控酶。本研究轉錄代謝聯(lián)合分析表明, 苯丙素合成途徑中富集到的上調差異表達基因多數(shù)為POD酶家族基因, 同時, 鄭紅23號在遮陰脅迫下的SOD活性和POD活性均顯著高于自然光照條件(表3), 說明遮陰脅迫使鄭紅23號體內(nèi)積累了ROS并觸發(fā)了活性氧清除系統(tǒng)。亞精胺(spermidine)是植物體內(nèi)一種常見的多胺物質, 具有重要的生理活性, 廣泛參與植物逆境脅迫響應(鹽、干旱、機械損傷、低溫、水淹、重金屬), 其可通過激活抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)來參與調節(jié)脅迫條件下植物體內(nèi)的活性氧穩(wěn)態(tài)[31-32]。同時, 外施多胺類物質也可提高植物對非生物逆境的抗性[33-34]。本研究中, 遮陰脅迫下亞精胺的平均含量是自然光照下的2.22倍, 說明亞精胺可能通過提高植株的抗氧化能力來參與甘薯的遮陰脅迫響應。

3.3 糖代謝相關途徑對甘薯遮陰脅迫的響應

糖代謝不僅是植物的能量來源也為其提供了重要的結構物質組成元件, 許多種類的糖還能與蛋白質等結合成復雜的化合物(如糖蛋白)而參與到細胞識別和細胞間物質運輸?shù)壬顒? 調節(jié)植物生長發(fā)育和應對不良環(huán)境[35-36]。轉錄組DEGs和代謝組DMs的KEGG共有富集途徑中排名靠前的有3個和糖代謝相關, 分別為半乳糖代謝途徑、淀粉和蔗糖代謝途徑、糖酵解和糖異生途徑, 3個途徑富集到的38個DEGs中有26個在遮陰脅迫后下調表達, 19個DMs中有17個在遮陰脅迫后含量降低, 說明遮陰脅迫降低了甘薯植株的糖代謝水平。其中11個下調DEGs編碼了與淀粉代謝直接相關的8種酶, 與淀粉合成相關的為 PGM (EC 5.4.2.2)、ADPG (EC 2.7.7.27)、SSS 1/3/4 (EC 2.4.1.21)以及GBSS (EC 2.4.1.242), 與淀粉降解相關的為α/β-Amylase (EC 3.2.1.1/EC 3.2.1.2), 說明遮陰脅迫對甘薯的淀粉合成與降解均有抑制作用。此外, 蔗糖、葡萄糖、麥芽糖、乳糖、棉籽糖等重要的可溶性糖在遮陰脅迫下的含量均不同程度下降。遮陰脅迫下葉片糖代謝水平的下降也直接導致了向根部運輸?shù)奶纪锏臏p少以及塊根膨大受阻(圖1)。而對玉米的研究也表明, 弱光脅迫下, 蔗糖-淀粉轉化相關酶活性降低,淀粉合成不足, 籽粒充實度較差, 導致產(chǎn)量顯著降低[37]。甘薯是喜光作物, 遮陰對其糖代謝產(chǎn)生了負面影響, 而對于某些喜陰植物如胡椒, 當遮陰度為30%左右時, 可以促進糖積累, 為花芽發(fā)育提供充足的物質基礎[38]。同為地下根莖類植物, 中藥材白及在強光環(huán)境下會受到脅迫, 影響產(chǎn)量和品質, 而50%遮陰處理則會提高白及葉片光合能力和糖物質積累, 塊莖產(chǎn)量顯著提高, 蛋白組學顯示遮陰和光照條件下的差異蛋白主要富集于光合作用、碳代謝、糖酵解/糖異生、磷酸戊糖途徑等[39]。這說明遮陰脅迫對喜光植物和喜陰植物的糖代謝途徑造成了相反的結果, 而這其中的關鍵調控因素則有待進一步研究。

3.4 鞘脂及精氨酸代謝途徑對甘薯遮陰脅迫的響應

鞘脂構成了植物細胞膜至少40%的脂質成分,而植物內(nèi)膜系統(tǒng)(如內(nèi)質網(wǎng)、液泡)同樣富含鞘脂[20]。植物鞘脂主要包括鞘氨醇即長鏈基團(LCBs)、神經(jīng)酰胺、葡萄糖神經(jīng)酰胺以及糖基肌醇磷酸神經(jīng)酰胺。鞘脂代謝廣泛參與到植物對生物或非生物脅迫的響應。鞘氨醇含量的增加能夠增強擬南芥的耐鹽性,而鞘氨醇-1-磷酸(LCB-1P)能參與調節(jié)植物氣孔的開閉, 并參與到脫水、低溫脅迫響應[40-43]。4-羥基鞘氨醇也即植物鞘氨醇(phytosphingosine)是植物中主要的鞘氨醇長鏈基團, 干旱脅迫下, 植物鞘氨醇含量在耐旱型櫻桃砧木中顯著提高, 可作為櫻桃砧木的抗旱標志代謝物[44]。本研究中4-羥基鞘氨醇在遮陰脅迫下的含量是正常光照下的1.68倍, 說明遮陰脅迫誘導了甘薯葉片中膜脂成分的變化, 從而使植株更加適應遮陰環(huán)境。同時, 遮陰脅迫下磷酸乙醇胺的含量是自然光照的5.19倍, 而磷酸乙醇胺是植物生物膜組分磷脂酰膽堿的合成前體, 后者對維持生物膜的功能有重要作用[45]。以上結果說明甘薯植株能通過改變生物膜脂質成分來響應遮陰脅迫, 從而提高其在遮陰脅迫下的生存能力。

精氨酸及其代謝產(chǎn)物鳥氨酸是一些逆境相關信號分子如多胺、脯氨酸、谷氨酸等的合成前體物質,因此, 精氨酸代謝通路在植物逆境信號轉導中發(fā)揮重要作用[46]。精氨酸可在精氨酸酶的催化下單向水解生成鳥氨酸和尿素, 鳥氨酸進而可生成瓜氨酸,而瓜氨酸經(jīng)過兩步催化又可生成精氨酸。同時, 精氨酸酶是植物精氨酸代謝的關鍵酶之一, 其基因主要通過JA和ABA途徑參與響應鹽、干旱、病害等(非)生物脅迫[47-49]。本研究中, 遮陰脅迫下鳥氨酸、瓜氨酸和精氨酸分別是光照條件下的8.63倍、4.31倍和1.43倍, 多氨類物質精氨是光照條件下的1.51倍,而精氨酸酶基因的表達量則是光照條件下的1.91倍,說明遮陰脅迫誘導了精氨酸酶基因的表達并將精氨酸更多地催化生成鳥氨酸, 而鳥氨酸可能會進一步參與到多胺類抗逆因子的合成中從而使植株增強對遮陰脅迫的適應能力。

4 結論

本研究以鄭紅23號為材料通過轉錄組和代謝組聯(lián)合分析首次解析了遮陰脅迫下甘薯的代謝響應途徑。遮陰脅迫下鄭紅23號的植株形態(tài)、葉片光合能力、葉綠素含量、抗氧化酶活性以及塊根膨大均受到了顯著影響。轉錄組和代謝組聯(lián)合分析表明,苯丙素合成途徑、糖代謝相關途徑、鞘脂和精氨酸代謝途徑是甘薯響應遮陰脅迫的主要代謝途徑。苯丙素途徑中的POD酶家族基因被廣泛激活, 提高了植株遮陰脅迫下的抗氧化能力。同時, 遮陰脅迫降低了葉片糖代謝水平, 淀粉的合成和降解均受到抑制, 可溶性糖含量下降, 導致了向根部運輸?shù)奶纪锏臏p少以及塊根膨大受阻。而鞘脂及精氨酸代謝途徑則可能通過提高生物膜的穩(wěn)定性以及增加多胺類抗逆因子的合成底物來使植株更好地適應遮陰脅迫。以上結果為理解遮陰脅迫下甘薯的代謝響應途徑提供了新的理論依據(jù)。