揭秘灵宝杜鹃热应激响应机制：转录组与代谢组联合分析成果

为探究灵宝杜鹃（Rhl）耐热机制，研究人员处理其幼苗并分析转录组和代谢组，揭示相关机制，意义重大。

　　# 探秘灵宝杜鹃应对高温的 “智慧密码”：转录组与代谢组联合解析
在大自然的舞台上，温度变化如同一场复杂的 “剧情”，时刻影响着植物的生存与繁衍。全球变暖的大背景下，极端高温天气愈发频繁，这对植物的生长、存活和分布构成了严重威胁。就拿杜鹃花来说，它是世界著名的观赏植物，中国拥有丰富的野生杜鹃资源，但因其耐热性差，在城市景观建设和经济发展中的应用受到极大限制。

灵宝杜鹃（Rhododendron henanense subsp. lingbaoense，Rhl）是河南特有的杜鹃亚种，具有重要的科研和自然遗产价值。然而，目前对于它应对高温的分子机制，国内外都尚未深入研究。为了揭开这个谜团，来自洛阳师范学院生命科学学院和河南小秦岭国家级自然保护区管理局的研究人员展开了深入探索，相关成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上。

研究人员采用了多种关键技术方法。在实验材料准备方面，他们于 2023 年 10 月从小秦岭国家级自然保护区采集 Rhl 种子，培育幼苗后分为三组，分别在 24℃（RLC，对照组）、32℃（RLM，中温组）和 40℃（RLH，高温组）处理 72 小时，随后采集嫩叶用于后续实验。在分析技术上，运用了代谢组分析和转录组测序分析。代谢组分析通过一系列复杂的处理步骤，包括叶片处理、LC-MS 检测等，对代谢物进行分离、鉴定和定量分析；转录组测序分析则对叶片 RNA 进行测序，经过严格的数据处理和分析流程，获取基因表达信息。此外，还进行了联合转录组和代谢组分析以及定量实时 PCR（qRT-PCR）分析，以验证转录组测序结果的可靠性。

下面让我们详细看看研究取得的成果。

代谢组分析

1. 样本质量控制与数据分析：通过主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘法判别分析（OPLS-DA）发现，不同温度处理组的代谢物存在显著差异，实验重复性良好。这就像是给不同温度下的 Rhl 代谢物 “拍了照”，清晰地看到它们之间的区别。
2. 差异表达代谢物（DEMs）分析：研究共筛选出 78 个 DEMs，主要分布在脂肪酸酰基、苯及取代衍生物、羧酸及衍生物等类别。在不同温度组比较中，发现高温胁迫（HTS）显著增加了氨基酸含量，且 RLH 与 RLM、RLH 与 RLC 间的代谢物变化大于 RLM 与 RLC 间的变化。这表明高温对 Rhl 的代谢物影响较大，尤其是氨基酸相关代谢。
3. KEGG 通路富集分析：DEMs 在多个代谢通路中富集，如黄酮和黄酮醇生物合成、D - 氨基酸代谢和 ABC 转运体通路等。这意味着这些通路在 Rhl 应对高温时可能起着关键作用。

转录组分析

1. 质量评价：研究获得了高质量的转录组数据，为后续分析奠定了坚实基础。
2. 差异表达基因（DEGs）检测：总共鉴定出 8450 个 DEGs，不同温度组间存在大量差异表达基因，且有 944 个基因在三组比较中共同表达，说明这些基因的表达可能在 HTS 过程中发生变化。
3. KEGG 和 GO 通路富集分析：DEGs 在光合作用、次生代谢物生物合成、植物激素信号转导等多个重要通路中富集，同时在生物学过程、细胞组成和分子功能等方面也有显著富集。这揭示了 Rhl 应对 HTS 的复杂分子机制。
4. DEGs 挖掘：筛选出与谷胱甘肽 - S - 转移酶（GST）、热应激反应、光合作用、次生代谢物和糖酵解 / 糖异生生物合成相关的 DEGs。其中，多数 GST 相关基因在 HTS 下上调，部分热休克蛋白（HSP）相关基因下调，光合作用相关基因多数上调。这些结果反映了 Rhl 在高温下的多种生理调节机制。
5. 转录因子（TF）表达分析：分析了多个 TF 家族成员的表达，发现多数 TF 家族成员在 RLM 和 RLH 中上调，部分成员在不同温度下表达有差异。这表明 TF 家族在 Rhl 应对 HTS 的转录调控中起着重要作用。

联合转录组和代谢组分析

在不同样本的 DEMs 和 DEGs 联合分析中，发现多个共同注释通路和富集通路，其中黄酮类生物合成通路和 ABC 转运代谢通路与 HTS 密切相关。在黄酮类生物合成通路中，高温促进了槲皮素的合成，抑制了山奈酚的合成；在 ABC 转运代谢通路中，高温诱导了相关基因的表达，导致一些氨基酸积累。

研究人员通过 qRT-PCR 分析验证了转录组测序结果的可靠性。综合来看，该研究揭示了 Rhl 应对 HTS 的复杂分子机制。在代谢方面，HTS 增加了氨基酸和黄酮类化合物的代谢；在基因表达方面，多个关键基因和 TF 家族参与了热应激响应。这些结果为深入理解 Rhl 的耐热机制提供了重要依据，也为杜鹃花在城市绿化中的应用提供了理论支持，有助于推动相关产业的发展。未来，研究人员还可以进一步深入研究这些机制，探索更多提高植物耐热性的方法，为应对全球气候变化下的植物保护和利用贡献更多力量。