甘蔗干旱胁迫响应的转录组与代谢组整合分析揭示关键代谢物6-甲基喹啉的调控机制

本研究针对全球重要糖料作物甘蔗面临的干旱胁迫问题，通过整合转录组学和代谢组学分析，鉴定出157个差异表达基因(DEGs)和18个差异积累代谢物(DAMs)，发现2-氧代羧酸代谢和支链氨基酸降解通路的关键作用。广西大学研究人员运用WGCNA筛选出色氨酸、脯氨酸和6-甲基喹啉(6-MQ)三个枢纽代谢物，并通过外源6-MQ处理显著提升甘蔗抗旱性(死亡率降低17.6%)，为甘蔗抗逆育种提供了新靶点。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，干旱已成为制约甘蔗这一重要经济作物产量的首要非生物胁迫。作为提供全球80%蔗糖和40%生物乙醇的"能源作物"，甘蔗对干旱的敏感性直接威胁着糖业安全和可再生能源供应。然而，传统育种手段受限于甘蔗复杂的多倍体基因组，其抗旱机制解析长期滞后，特别是代谢层面的调控网络仍如"黑箱"般难以破解。

广西亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室/广西甘蔗生物学重点实验室的研究团队在《Genomics》发表的研究，创新性地采用多组学整合策略，通过UHPLC-MS/MS（超高效液相色谱-串联质谱）技术平台，对干旱胁迫下的甘蔗开展系统分析。研究首先构建了包含157个DEGs和18个DAMs的调控网络，继而运用WGCNA（加权基因共表达网络分析）锁定关键代谢节点，最终通过功能验证发现6-MQ这一新型抗旱增效剂。

关键技术方法包括：1) 采用UHPLC-MS/MS进行非靶向代谢组检测；2) Illumina测序平台开展转录组分析；3) WGCNA构建基因-代谢物互作网络；4) 设置3个生物重复的盆栽控水实验验证6-MQ功能。

主要研究结果

差异表达谱解析
在PEG-6000模拟的干旱胁迫下，检测到157个DEGs显著富集于氧化还原酶活性(GO:0016491)和2-氧代羧酸代谢(KO00260)。值得注意的是，支链氨基酸转氨酶基因(BCAT)表达量上调4.3倍，提示Val/Leu/Ile降解可能参与渗透调节。

代谢重编程特征
18个DAMs中，6-MQ含量变化最为显著(8.7倍增加)，其积累趋势与脯氨酸合成酶基因(ProDH)表达呈强正相关(r=0.92)。同位素示踪显示，¹³C标记的支链氨基酸可转化为6-MQ前体。

WGCNA网络构建
将代谢物与基因表达数据整合后，鉴定出MEturquoise模块(包含83个基因和6个代谢物)与抗旱性显著相关。其中6-MQ作为网络枢纽，与谷胱甘肽-S-转移酶(GST)等抗氧化基因存在共表达关系。

外源6-MQ功能验证
叶面喷施100 μM 6-MQ使甘蔗存活率提高17.6%，且不引起生长抑制。生理指标显示，处理组MDA（丙二醛）含量降低34.2%，同时SOD（超氧化物歧化酶）活性提升2.1倍。

该研究首次揭示6-MQ作为"代谢开关"调控甘蔗抗旱性的分子机制：干旱诱导BCAT基因表达，促进支链氨基酸降解产生2-氧代羧酸，进而通过喹啉合成途径生成6-MQ；后者通过激活GST等抗氧化酶系统减轻氧化损伤。这一发现不仅为理解植物代谢适应性提供新视角，更创制出首个基于喹啉类物质的甘蔗抗旱剂，相较于传统脯氨酸制剂具有成本低、无残留的优势。研究建立的"基因-代谢物-表型"多维验证体系，为其他复杂基因组作物的抗逆研究提供了范式参考。