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Phenomics | 复旦大学南蓬和朱炎团队揭示红树植物秋茄低温应答新机制

已有 532 次阅读 2025-6-13 13:57 |系统分类:论文交流

近日，复旦大学生命科学学院南蓬副教授与朱炎教授团队在《表型组学（英文）》（Phenomics）发表题为“Comparative Transcriptomic and Metabolomic Analysis of Two Related Kandelia obovata Populations in Response to Cold Wave”的研究论文。

该研究通过模拟自然环境下的寒潮胁迫，系统比较了我国东南沿海秋茄种群（来自福建泉州的南方F-J种群与浙江温州的北方Z-J种群）低温胁迫下的表型、转录组和代谢组差异，揭示了秋茄种群通过激活茉莉酸（JA）信号通路、增强角质层合成等机制显著提升抗寒能力的分子基础。

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论文DOI链接：

https://doi.org/10.1007/s43657-024-00204-7

论文引用格式：

Zhang, J., Fan, T., Cai, X. et al. Comparative Transcriptomic and Metabolomic Analysis of Two Related Kandelia obovata Populations in Response to Cold Wave. Phenomics (2025). https://doi.org/10.1007/s43657-024-00204-7

研究背景

红树林是分布在热带和亚热带潮间带的木本植物，具有强大的碳汇功能和海岸保护作用。全球气候变暖为红树林向高纬度的扩张带来了机遇，但寒潮等极端低温事件仍对其生存构成严峻挑战。秋茄（Kandelia obovata）作为红树植物中耐寒能力最强、地理分布最广的代表物种，是探究植物如何应对极端低温的理想材料。尽管既往研究揭示了秋茄部分低温应答机制，但其在极端低温（<-4°C）及恢复阶段的动态应答仍缺乏系统研究，尤其是在代谢层面。因此，该研究通过模拟自然寒潮过程，整合高通量转录组测序与LC-MS非靶向代谢组学，系统解析耐寒性不同的秋茄种群（F-J和Z-J）在极端低温及恢复期的应答机制差异，为深入理解红树林在全球气候变化背景下的耐寒适应策略提供理论基础和数据支持。

研究结果

1．F-J及Z-J两地秋茄种群在低温胁迫及恢复期中的表型响应

该研究首先对F-J与Z-J两地秋茄种群进行了T1~T6的冷冻-复温处理（图1a）。叶片形态结果显示，两地秋茄种群在低温阶段均未表现明显受损，但复温后F-J种群叶片出现褐变萎蔫，而Z-J种群损伤较轻，展现出更强的抗寒性（图1b）。石蜡切片结果显示，Z-J叶片在寒潮后期富集了更多单宁类抗氧化物，同时保持了更完整的叶肉结构，Z-J种群在栅栏组织厚度、细胞紧实度等指标上表现更佳（图1c-d）。野外移栽实验进一步验证，低温预处理后Z-J种群存活率显著高于F-J，显示出其更强的低温适应能力（图1c-e）。

图1. F-J 与 Z-J 两地秋茄种群在模拟寒潮条件下的表型响应

a.模拟寒潮下的温度处理变化；b.模拟寒潮下F-J和Z-J秋茄种群的叶片形态差异；c.低温下F-J和Z-J秋茄种群的代表性叶片解剖结构差异；d.低温下秋茄各组织解剖结构变化；e.秋茄下胚轴分别在 25℃、4℃ 或 0℃进行温度预处理15天后再于野外生长4个月后的存活率

2. F-J及Z-J两地秋茄种群在低温胁迫及恢复期中的转录响应

接下来该研究对低温及恢复阶段下F-J和Z-J两个种群进行转录组测序分析（图2a）。结果共鉴定到3810个差异表达基因（DEGs），其中Z-J种群在复温阶段显示出更强的基因激活能力（图2b）。进一步富集分析发现，Z-J种群在植物-病原互作、MAPK信号通路、苯丙烷生物合成等多个与逆境响应相关的通路上呈现出更显著的富集趋势，提示Z-J种群在应对寒潮时具备更为活跃的防御调控网络（图2c）。其次，F-J种群在寒潮后光系统II最大光化学效率显著下降，且光合天线蛋白基因持续低表达，导致不可逆损伤；而Z-J种群通过动态调控光合基因，维持了光合系统稳定性。此外，转录组分析还揭示了Z-J种群特异性激活ERF-CBF调控模块，冷调控核心转录因子KoCBF3驱动下游靶基因（如KoWRKY40、EXLA2）高表达，协同增强ROS清除、细胞结构完整性及光系统修复能力。

图2. F-J 与 Z-J 两地秋茄种群在模拟寒潮条件下的转录响应

a. 用于转录组分析的 T1∼T6 各时间点样本采集的实验设计；b.各处理差异基因数目统计；c.各处理差异基因KEGG通路富集分析

该研究基于K-means聚类将DEGs分为20个基因群（G1-G20），每个基因群均包含了已知参与植物抗寒反应的标记基因。其中，G1-G12在Z-J种群中显著上调，涉及氧化还原酶活性（如呼吸爆发氧化酶同源蛋白B编码基因）、次生代谢（如木质素合成相关过氧化物酶编码基因）及植物激素信号（如茉莉酸途径相关基因JAZ和脂氧合酶编码基因LOX1-5）（图3a）。因此，Z-J种群可能具备更强的能力来应对冷胁迫引发的氧化还原状态失衡，或更有效地激活ROS信号以促进冷适应。相比之下，G13–G20在F-J种群中上调，可能主要与冷损伤后的被动应激响应有关（图3b）。总体而言，该聚类分析揭示了两地种群在低温胁迫下存在不同的转录组响应模式。

图3. DEGs的聚类分析

a. Z-J种群转录水平升高的差异基因聚类分析；b. F-J种群转录水平升高的差异基因聚类分析

3. F-J及Z-J两地秋茄种群在低温胁迫及恢复期中的代谢响应

同时，该研究基于LC-MS的非靶向代谢组学共鉴定到1302种差异代谢物（DAMs）。F-J种群在极端低温下激发了更强烈的代谢响应，而Z-J种群在复温阶段中保持了相对稳定的代谢稳态，其中抗坏血酸代谢、亚麻酸代谢及角质-木栓质生物合成通路中的代谢物（如抗坏血酸、亚麻酸衍生物）显著积累（图4a-b），与转录组数据一致。作者用分光光度法进一步验证发现：Z-J种群的抗坏血酸水平在复温显著增加，与代谢组数据一致。代谢物的聚类分析显示，DAMs在低温和复温处理阶段具有不同的代谢模式，这些特定代谢物可能是造成两地秋茄种群抗寒能力差异的原因（图4c）。

图4. F-J 与 Z-J 两地秋茄种群在模拟寒潮条件下的代谢响应

a.各处理差异代谢物数目统计；b.各处理差异代谢物KEGG通路富集分析；c.差异代谢物聚类分析

4. 多组学分析揭示秋茄抗寒关键机制：角质、木栓质和蜡的合成与JA信号通路

此外，该研究还发现Z-J种群在温度恢复阶段显著上调了与脂肪酸延伸和角质生物合成相关的基因表达，如β-酮脂酰-CoA合酶编码基因KCS、CYP86A45、CYP94A5（图5a-b）；同时，Z-J种群持续积累角质前体代谢物，如16-羟基十六烷酸、9,10-环氧十八烷酸（图5c）。解剖学分析进一步证实，Z-J种群的角质层厚度在复温阶段快速增加（图5d），表明角质层增厚是秋茄抵御低温渗透损伤的关键结构适应策略。

图5. 低温影响脂肪酸的延长以及角质、木栓质和蜡质的生物合成过程

a.脂肪酸的延长和角质、蜡质和木栓质的生物合成途径；b.参与该途径的差异基因表达水平；c.参与该途径的差异代谢物丰度变化；d.左箭头表示石蜡切片中角质层的位置，右图代表寒潮期间角质层厚度与叶片厚度的比例

最后，转录组与代谢组均显示茉莉酸（JA）通路的显著激活，该研究通过外源喷施MeJA进一步验证了JA信号的功能。结果显示，MeJA处理显著提高了F-J种群的存活率，减缓叶片脱水与褐化（图6a），维持细胞正常形态（图6b），并降低冷胁迫诱导的电解质泄漏（图6c）。这些结果表明JA信号转导与秋茄的抗寒性间存在强关联。

图6. 外源MeJA处理可显著提高F-J种群对寒潮的抗寒性

a.低温胁迫下经外源MeJA处理后的F-J种群表型；b. 低温胁迫下经外源MeJA处理后的F-J种群叶片解剖结构；c. 外源 MeJA 处理后的F-J幼苗相较于未处理F-J和Z-J种群的相对电导率变化

研究结论

本研究系统揭示了中国东南沿海秋茄（Kandelia obovata）南北种群应对寒潮的生理与分子差异。形态表型分析表明，北方Z-J种群表现出显著耐寒性，其叶片通过动态增厚角质层、维持细胞结构完整性及积累抗氧化代谢物，有效缓解低温引发的氧化损伤与细胞脱水；而南方F-J种群因光合系统不可逆损伤及抗氧化代谢能力不足，导致叶片褐化与存活率显著下降。转录组分析表明，Z-J种群在低温后的恢复阶段特异性激活茉莉酸信号通路、苯丙烷生物合成及角质相关基因（如KoCBF3、KCS），驱动下游抗氧化基因（GSR、APX）和次生代谢物合成，同时通过CBF转录因子网络协同调控ROS清除与渗透平衡。代谢组数据证实，Z-J种群在亚麻酸代谢、抗坏血酸循环及角质前体代谢物的积累上具有显著优势。进一步的外源MeJA处理验证了JA信号能通过增强膜稳定性提升F-J种群的冷适应性。

研究结论

本研究通过整合表型、转录组与代谢组数据，建立了“基因-代谢物-表型”的全链条调控模型，填补了红树植物极端低温适应机制的研究空白，为红树抗寒种质筛选、分子育种及气候变化下的生态修复提供了关键靶点与理论支撑。其次，本研究发现冷胁迫后的复温阶段（而非单纯低温暴露期）是红树植物秋茄冷适应的关键窗口期，挑战了传统“低温即时响应”范式，为植物逆境生物学提供了新的时序调控视角。

该项目旨在致敬钟扬教授在中国红树北移研究领域中的卓越贡献。复旦大学生命科学学院南蓬副教授和朱炎教授为共同通讯作者，复旦大学人类表型组研究院2024级博士研究生张嘉琪（2024复旦大学分子与进化生态学系硕士研究生毕业）为第一作者。该项目获得了摩根士丹利证券（中国）有限公司公益基金、上海艮石医疗科技发展有限公司以及国家自然科学基金的资助支持。

Abstract

Temperature plays a pivotal role in shaping the distribution of mangroves, as episodes of low temperature have severe impacts on their survival and geographical range. Kandelia obovata has gained recognition as an ideal species for investigating mangroves response mechanisms to cold stress. However, there is a paucity of reports focusing on its response to freezing stress and its adaptive mechanisms during recovery stages. In this study, we subjected two populations of K. obovata (southern F-J and northern Z-J) collected from the southeast coastal area of China to a simulated cold wave. We conducted phenotype analyses along with comparative transcriptomics and metabolomics investigations on these two populations, which exhibited differential freeze resistance. Our clustering analyses highlighted groups of K. obovata genes and metabolites that may contribute to the enhanced plant adaptability and survival capacity when exposed to cold wave. Notably, the freeze-resistant Z-J population exhibited thickened cuticle layer and enhanced jasmonic acid pathway during their recovery stage. This study provides novel insights into comprehending the molecular responses and survival mechanisms employed by K. obovata against cold waves, while also offering a valuable transcriptome and metabolome resource for future investigations in molecular ecology and conservation strategies for mangroves in both their native habitats and introduced environments.

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