宋佳陽, 胡 瑜, 徐 倩, 盧 蕊, 胡龍興
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院草業(yè)科學(xué)系, 湖南 長沙 410128)
紫花苜蓿(MedicagosativaL.)具有產(chǎn)量高、營養(yǎng)價值高、適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn),被譽(yù)為“牧草皇后”,是世界上種植廣泛且十分重要的豆科牧草,也是我國實施農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的首選飼料作物之一[1-2],具有巨大的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會價值[3-4]。我國南方地區(qū)因降雨量大、季節(jié)分配不均、地下水位高等易形成內(nèi)澇或漬水脅迫現(xiàn)象,進(jìn)而影響紫花苜蓿的種植面積以及產(chǎn)量[5]。因此,厘清苜蓿對耐漬性脅迫的生理代謝響應(yīng)機(jī)制對選育耐漬性強(qiáng)的品種具有重要的指導(dǎo)意義[6-7]。
秋季休眠(Fall dormancy)被定義為苜蓿在秋季響應(yīng)日照減少和溫度下降的適應(yīng)性生長特征[8],被廣泛用作抗逆性、生產(chǎn)性能和春季生長的重要指標(biāo)[9]。張衛(wèi)紅等[10]對4個不同秋眠等級紫花苜蓿苗期生物學(xué)特性探究發(fā)現(xiàn),秋眠等級高的紫花苜蓿品種的耐淹性高于秋眠等級低的紫花苜蓿品種;安淵等[11]]對國外引進(jìn)的28個半秋眠和非秋眠品種的耐澇性分析發(fā)現(xiàn),秋眠級數(shù)越高,耐澇性越強(qiáng),但目前苜蓿秋眠級影響其耐漬性的作用機(jī)理尚不明確。
漬水脅迫對植物具有多方面的影響,如葉片的光合速率下降、根系呼吸受抑制、植物分生組織的伸長等,其中漬水脅迫對植物造成損傷的主要原因是根系呼吸受到抑制導(dǎo)致的長期缺氧。在缺氧條件下,植物根系只能進(jìn)行無氧呼吸。O2是線粒體電子傳遞鏈末端的電子受體,漬水脅迫時O2可用性的降低干擾了電子傳遞鏈,迅速抑制三磷酸腺苷(ATP)的產(chǎn)生,從而抑制線粒體呼吸[12-13]。漬水脅迫使植物只能通過厭氧代謝途徑來提供維持植物在低氧環(huán)境下各項生理活動所需的能量,而糖酵解的終產(chǎn)物丙酮酸被轉(zhuǎn)化成乳酸和乙醇,無法通過三羧酸循環(huán)轉(zhuǎn)化成植物所需能量,有機(jī)物損耗大,能量生成少[14]。為應(yīng)對漬水脅迫造成的能量短缺[15],植物體內(nèi)細(xì)胞首先通過糖酵解和乙醇發(fā)酵途徑產(chǎn)生能量,同時也會伴隨乳酸、醇、醛類等有毒物質(zhì)的積累[16]。在高等植物中,抗?jié)承灾参锍送ㄟ^糖酵解和乙醇發(fā)酵途徑產(chǎn)生能量外,還可以通過蘋果酸代謝、琥珀酸合成、谷氨酸轉(zhuǎn)化、磷酸戊糖等多條代謝途徑共同保證穩(wěn)定的能量及物質(zhì)供應(yīng),避免單一代謝產(chǎn)物及有害物質(zhì)的過度積累[17]。長時間在漬水脅迫下的植物會激活相關(guān)基因(如ENO1,ADH1等)進(jìn)入丙氨酸發(fā)酵途徑,為植物生長發(fā)育提供能量[18]。因此,紫花苜蓿的代謝途徑可能與其抵抗?jié)碀n脅迫密切相關(guān)。
因此,本研究以不同秋眠級紫花苜蓿葉片為試驗材料,利用非靶向代謝組學(xué)方法,采用液相色譜-質(zhì)譜(Liquid chromatography-mass spectrometry,LC-MS)技術(shù)測定漬水脅迫下紫花苜蓿葉中相關(guān)代謝物的差異,探究漬水脅迫對不同秋眠級紫花苜蓿的影響,以期為紫花苜蓿耐漬品種的選育和栽培提供理論依據(jù)。
試驗于2023年5—7月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)系步入式人工氣候室內(nèi)進(jìn)行。將細(xì)沙與營養(yǎng)土按體積比為2∶1的比例混勻,然后將等量的基質(zhì)裝入塑料方盆(上口徑10 cm×10 cm,下口徑8 cm×8 cm,高度8 cm)中。選用飽滿、大小一致的種子均勻播種于基質(zhì)中,每盆播種30粒,覆蓋約1 cm基質(zhì),在人工氣候室內(nèi)培養(yǎng)。待種子發(fā)芽后幼苗長至2片真葉時進(jìn)行間苗,每盆保留生長一致且健壯的幼苗6~8株,每隔5 d每盆澆50 mL的1/2Hoagland營養(yǎng)液。待植株長到15 cm時進(jìn)行漬水處理,每個處理組設(shè)置4個生物學(xué)重復(fù)(4盆)。人工氣候室生長條件為:溫度25℃/20℃(晝/夜),光照時間14 h,相對濕度70%~75%,光照強(qiáng)度為450 μmol·m-2·s-1。
試驗采用完全隨機(jī)設(shè)計,將處理組盆栽材料放置于裝滿自來水的方形盆中,使水面沒過培養(yǎng)基質(zhì)表面約1 cm左右,每天補(bǔ)充因蒸發(fā)散失的水量。每隔2 d換一次水,分別在漬水處理第7 d和14 d取植株的倒數(shù)第三、四片復(fù)葉凍于液氮,存儲于-80℃冰箱用于后續(xù)指標(biāo)的測定。每個處理設(shè)置4個重復(fù),以正常澆水對照。
1.3.1丙二醛含量測定 采用TCA-TBA法測定[19]。
1.3.2代謝產(chǎn)物提取與測定 稱取25 mg凍干樣品,加入500 μL提取液(甲醇∶水=3∶1 (V/V),含同位素標(biāo)記內(nèi)標(biāo)混合物);35 Hz研磨處理4 min,超聲5 min (冰水浴);重復(fù)步驟2~3次;—40℃靜置1 h;將樣品4℃,12 000 r·min-1[離心力13 800(×g),半徑8.6 cm],離心15 min;取上清于進(jìn)樣瓶中,上機(jī)檢測;所有樣品另取等量上清混合成質(zhì)量控制(QC)樣品上機(jī)檢測。
試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016整理;用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析和Ducan式多重檢驗(P<0.05),使用SigmaPlot 12.5軟件進(jìn)行作圖。代謝組數(shù)據(jù)分析中,采用正交偏最小二乘判別分析(Orthogonal projections to latent structures-discriminant analysis,OPLS-DA)模型,以第一主成分的變量投影重要度(Variable importance in the projection,VIP)大于1與P值(P-value)小于0.05為閾值,篩選豐度上調(diào)或下調(diào)的代謝物。本研究基于京都基因和基因組百科全書(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)Pathway數(shù)據(jù)庫,使用SIMCA軟件(V16.0.2,Sartorius Stedim Data Analytics AB,Umea,Sweden)對不同樣本的所有代謝物進(jìn)行主成分分析(Principal component analysis,PCA)并注釋差異代謝物富集的代謝途徑[20]。
如圖1所示,正常生長條件下,‘SK 3010’和‘WL 525HQ’生長狀態(tài)均良好無差異;漬水處理7 d時,二者均出現(xiàn)澇害癥狀,但‘WL 525HQ’的黃葉率比‘SK 3010’低。漬水處理14 d時,‘SK 3010’葉片萎蔫嚴(yán)重,而‘WL 525HQ’植株葉片萎蔫較少,植株狀態(tài)相對較好,葉片黃葉率低于‘SK 3010’,表明秋眠級高的‘WL 525HQ’品種比秋眠級低的‘SK 3010’品種耐漬性更強(qiáng)。
為了進(jìn)一步探究不同秋眠級紫花苜蓿耐漬性,對‘SK 3010’和‘WL 525HQ’漬水處理后的葉片組織進(jìn)行生理指標(biāo)測定,發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿‘SK 3010’和‘WL 525HQ’的MDA含量在漬水處理7 d和14 d后均高于對照組(圖2),且‘SK 3010’在漬水處理7 d和14 d積累的MDA含量比‘WL 525HQ’高,表明‘SK 3010’的細(xì)胞膜創(chuàng)傷程度更高。

圖2 漬水處理對不同秋眠級紫花苜蓿MDA含量的影響Fig.2 Effect of waterlogging on MDA content of alfalfa with different fall dormancy levels
2.3.1非靶向代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析 為分析漬水條件下不同秋眠級紫花苜蓿葉片代謝產(chǎn)物含量及代謝途徑的變化,采用LC-MS技術(shù)對漬水處理前后紫花苜蓿‘SK 3010’和‘WL 525HQ’的葉片代謝物進(jìn)行檢測。主成分分析(PCA)結(jié)果表明四組樣本的重復(fù)性良好,PC2可將兩個品種的對照與漬水處理分開(圖3A)。通過MS進(jìn)行定性和定量分析,共檢測到1 077個代謝產(chǎn)物,分為13組,其中,脂質(zhì)類化合物345個(32.07%),有機(jī)雜環(huán)化合物147個(13.68 %),苯丙素類和聚酮類145個(13.45 %),有機(jī)酸及其衍生物140個(12.99%),苯環(huán)型化合物115種(10.69%),有機(jī)氧化合物93個(8.62%),21種核苷酸類和有機(jī)氮化合物(1.95%),碳?xì)浠衔?1個(1.03%),5個生物堿及其衍生物和木脂素類化合物(0.46%),3個有機(jī)硫化合物(0.23%),以及26種其他代謝物(2.41%)(圖3B)。對漬水前后紫花苜蓿‘SK 3010’和‘WL 525HQ’葉片中差異代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)‘SK 3010’中有139個差異代謝產(chǎn)物,‘WL 525HQ’中有231個差異代謝產(chǎn)物。隨后對這些差異代謝產(chǎn)物進(jìn)行聚類分析,如圖3C、3D所示,‘SK 3010’聚類為兩簇,第一簇差異代謝產(chǎn)物含量上調(diào),共10個,第二簇差異代謝產(chǎn)物含量下調(diào),共129個;‘WL 525HQ’聚類為兩簇,第一簇差異代謝產(chǎn)物含量上調(diào),第二簇差異代謝產(chǎn)物含量下調(diào),其中上調(diào)差異代謝產(chǎn)物19個,下調(diào)差異代謝產(chǎn)物212個。

圖3 非靶向代謝數(shù)據(jù)分析Fig.3 Analysis of untargeted metabolic data注:圖A,主成分分析(PCA);圖B,不同秋眠級紫花苜蓿漬水處理前后代謝產(chǎn)物分類;圖C,‘SK 3010’差異代謝物熱圖;圖D,‘WL 525HQ’差異代謝物熱圖Note:Panel A,Principal Component Analysis (PCA);Panel B,Classification of metabolites of alfalfas with different fall dormancy levels before and after waterlogging treatment;Panel C,‘SK 3010’ differential metabolite heat map;Panel D,‘WL 525HQ’ differential metabolite heat map
2.3.2差異代謝物KEGG通路富集分析 本研究利用KEGG數(shù)據(jù)庫對每個組的差異代謝產(chǎn)物進(jìn)行了通路富集分析,‘SK 3010’-WL vs. ‘SK 3010’-CK、‘WL 525HQ’-WL vs. ‘WL 525HQ’-CK中的差異代謝產(chǎn)物涉及多個途徑,主要途徑如圖4所示,在‘SK 3010’-WL vs. ‘SK 3010’-CK組中,差異代謝產(chǎn)物在丙酮酸代謝,糖酵解和糖異生,苯丙氨酸代謝,氰胺酸代謝,丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝,酪氨酸代謝,D-氨基酸代謝,生物堿合成,2-氧羧酸代謝,纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸的生物合成,抗壞血酸和醛酸鹽代謝,氨基酸的生物合成,氨酰生物合成相關(guān)等代謝途徑顯著富集(P<0.05)(圖4A)。
2.4 關(guān)注突出成就和社會熱點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任意識 生物學(xué)知識與生產(chǎn)、生活和社會息息相關(guān),如健康知識、飲食常識、環(huán)保知識、遺傳病的預(yù)防、吸煙的危害、轉(zhuǎn)基因食品的安全問題等;生命科學(xué)的突出成就與人類的健康生活和國家的社會經(jīng)濟(jì)利益密切相關(guān),如諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎對維護(hù)人類健康的意義、袁隆平雜交水稻對人類社會的貢獻(xiàn)等。教學(xué)中,教師要鼓勵學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的生物學(xué)知識去參與個人和社會事務(wù)的討論,嘗試解決生活中的生物學(xué)問題,激發(fā)學(xué)生熱愛自然、熱愛生命、熱愛生物科學(xué)、關(guān)心和維護(hù)地球生態(tài)環(huán)境的責(zé)任意識,樹立建設(shè)祖國和家鄉(xiāng)的義務(wù)感和責(zé)任感。

圖4 成對比較差異代謝物KEGG注釋和富集分析Fig.4 KEGG annotation and enrichment analysis on the pairwise comparison of differential metabolites
在‘WL 525HQ’-WL vs. ‘WL 525HQ’-CK組中,差異代謝產(chǎn)物在丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝,酪氨酸代謝,氰胺酸代謝,2-氧羧酸代謝,苯丙氨酸代謝,D-氨基酸代謝,內(nèi)酰胺生物合成,苯基丙酸類生物合成,精氨酸生物合成,氨基酸的生物合成,氨酰生物合成等代謝通路顯著富集(P<0.05)(圖4B)。
2.3.3差異代謝物表達(dá)分析 本試驗鑒定到的差異代謝物主要包括氨基酸及其衍生物、糖類、有機(jī)酸、脂類、黃酮類、核苷及其衍生物等6大類。不同類型的代謝物在‘SK 3010’-WL vs. ‘SK 3010’-CK和‘WL 525HQ’-WL vs. ‘WL 525HQ’-CK兩個比較組中的含量變化不同。如圖5A所示,共有13種氨基酸在兩個比較組中含量變化不同,如甲基脯氨酸、L-谷氨酸、蘇氨酸等,其中甲基脯氨酸和L-蘇氨酸在‘SK 3010’-WL vs. ‘SK 3010’-CK比較組中上調(diào),在‘WL 525HQ’-WL vs. ‘WL 525HQ’-CK比較組中下調(diào)。L-谷氨酸在‘SK 3010’-WL vs. ‘SK 3010’-CK比較組中下調(diào),在‘WL 525HQ’-WL vs. ‘WL 525HQ’-CK比較組中上調(diào)。共有5種脂肪酸在兩個比較組中含量變化不同(圖5B),D-蘋果酸和檸康酸在兩個比較組中受到了漬水脅迫相反的調(diào)控,二者均在‘SK 3010’-WL vs. ‘SK 3010’-CK比較組中上調(diào),在‘WL 525HQ’-WL vs. ‘WL 525HQ’-CK比較組中下調(diào)。如圖5C所示,有4種有機(jī)酸受到了漬水脅迫的影響,在兩個比較組中含量不同。其中L-乳酸和丙酮酸在‘SK 3010’-WL vs. ‘SK 3010’-CK比較組中下調(diào)幅度較大,戊二酸和羥基丙酸‘WL 525HQ’-WL vs. ‘WL 525HQ’-CK比較組中下調(diào)更多。如圖5D所示,共有11種黃酮類化合物在兩個比較組中含量變化不同,如6-羥基黃酮在兩個比較組中受到了漬水脅迫相反的調(diào)控,在‘SK 3010’-WL vs. ‘SK 3010’-CK比較組中上調(diào),在‘WL 525HQ’-WL vs. ‘WL 525HQ’-CK比較組中下調(diào)。共有5種糖類受到了漬水脅迫的影響,其中阿拉伯糖醇在‘SK 3010’-WL vs. ‘SK 3010’-CK比較組中上調(diào)幅度較大,氨基葡萄糖、D-麥芽糖、葡糖酸內(nèi)酯、熊果苷在‘WL 525HQ’-WL vs. ‘WL 525HQ’-CK比較組中下調(diào)更多。
2.3.4差異代謝物代謝通路分析 為解漬水脅迫對不同秋眠級紫花苜蓿葉片代謝途徑的影響,根據(jù)‘SK 3010’-WL vs. ‘SK 3010’-CK和‘WL 525HQ’-WL vs. ‘WL 525HQ’-CK兩個比較組中的差異代謝物,繪制了其所在的代謝途徑,并利用方格中不同顏色表征各差異代謝物的變化情況(圖6),表明漬水脅迫顯著影響TCA循環(huán)、氨基酸代謝和黃酮生物合成相關(guān)代謝途徑[20-21]。
當(dāng)植株長期處于漬水脅迫時,根系主要進(jìn)行無氧呼吸,葉面氣孔應(yīng)激性關(guān)閉,從而導(dǎo)致體內(nèi)ROS積累過量,細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生和清除氧自由基的動態(tài)失衡,對細(xì)胞產(chǎn)生氧化損傷,進(jìn)而導(dǎo)致植株地上葉片發(fā)黃凋落和地下主根腐爛[22-24]。MDA是細(xì)胞毒性物質(zhì),它與細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)、酶等結(jié)合、交聯(lián)并使之失活,最終對植物細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用。因此,植物受漬水脅迫的程度可以間接通過MDA含量的高低反映[25-26]。本研究發(fā)現(xiàn)漬水處理后‘SK 3010’中MDA含量顯著高于‘WL 525HQ’,說明‘SK 3010’受損傷程度更高,這與其地上部分黃葉率高于‘WL 525HQ’的表型相對應(yīng),這些結(jié)果表明‘WL 525HQ’的耐漬性強(qiáng)于‘SK 3010’,這與張衛(wèi)紅等[10]報道的秋眠級高的紫花苜蓿耐漬性強(qiáng)的研究結(jié)果一致。
代謝組學(xué)是在轉(zhuǎn)錄組和基因組學(xué)之后又一門新興學(xué)科。植物感受到脅迫時,會在生理及代謝水平及時進(jìn)行調(diào)整確保生命活動正常運(yùn)行[27]。紫花苜蓿的耐漬調(diào)節(jié)是一個復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò),涉及能量代謝、氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝、黃酮類代謝、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等各種通路[28]。本研究結(jié)果表明,氨基酸代謝中蘇氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、絲氨酸、天冬酰胺、谷氨酸和谷氨酰胺等代謝途徑參與了耐漬調(diào)節(jié),黃酮和黃酮醇的生物合成,丙酮酸代謝,生物堿合成等代謝途徑也參與其中。氨基酸是多種生物功能大分子蛋白的前體,在多種非生物脅迫下具有多種功能,可以通過參與相關(guān)基因表達(dá)和關(guān)鍵酶的活性調(diào)節(jié)等途徑改變植物生理代謝進(jìn)而提高植物對逆境的適應(yīng)性[29]。同時氨基酸和其他含氮化合物的積累是迄今報道的幾乎所有植物脅迫反應(yīng)的一個顯著生化特征。氮代謝的這種變化被解釋為相容溶質(zhì)的積累,為未來需求產(chǎn)生碳和氮儲備。因此,含氮化合物的積累可能是對脅迫下生長速率降低導(dǎo)致的氮需求減少的一種反應(yīng)[30]。天冬酰胺在植株體內(nèi)氮的長距離運(yùn)輸中起著核心作用,直接或間接參與氮同化、脯氨酸和多胺的生物合成以及光呼吸對銨的解毒[31],因此,天冬酰胺代謝可能通過支持核心氮代謝在耐漬性中發(fā)揮關(guān)鍵作用[32]。谷氨酸和谷氨酰胺在通過谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶途徑的NH4+同化過程中起著關(guān)鍵作用[30],谷氨酸在白菜的耐旱性和長葉萵筍的抗水分脅迫方面產(chǎn)生積極影響[33-34],同時谷氨酸也是其他氨基酸的氨基主要供體,谷氨酸合酶可催化谷氨酰胺和α-酮戊二酸形成谷氨酸[35]。本試驗結(jié)果表明,谷氨酸、谷氨酰胺和天冬酰胺在耐漬性強(qiáng)的‘WL 525HQ’-WL vs. ‘WL 525HQ’-CK比較組中含量上調(diào),其中谷氨酰胺和天冬酰胺較耐漬性弱的‘SK 3010’-WL vs. ‘SK 3010’-CK比較組中含量上調(diào)差異顯著,因此,猜測此三類氨基酸可能與紫花苜蓿耐漬性相關(guān)。絲氨酸作為被鑒定出的防御蛋白[36],是保護(hù)膜免受活性氧損傷的內(nèi)源性植物抗氧化劑之一[37]。有研究發(fā)現(xiàn)在鎘處理的擬南芥植株中,絲氨酸的代謝水平較處理前升高[33],說明絲氨酸代謝與植物逆境脅迫相關(guān),這與Kavi等[38]研究結(jié)果一致。本試驗中,耐漬性強(qiáng)的‘WL 525HQ’-WL vs. ‘WL 525HQ’-CK比較組中絲氨酸含量上調(diào),耐漬性弱的‘SK 3010’-WL vs. ‘SK 3010’-CK比較組中絲氨酸含量下調(diào),說明絲氨酸對‘WL 525HQ’應(yīng)對漬水脅迫具有積極重要作用,這與Wang等[36]研究結(jié)果一致。黃酮類物質(zhì)具有顯著的抗氧化性,可以有效地抑制或消除自由基對植物的損害,是一類重要的次生代謝產(chǎn)物,可以通過調(diào)控相關(guān)蛋白和基因的表達(dá)參與植物的抗逆過程[39]。在本試驗中,‘SK 3010’-WL vs. ‘SK 3010’-CK和‘WL 525HQ’-WL vs. ‘WL 525HQ’-CK兩個比較組中差異代謝產(chǎn)物含有多個黃酮類化合物,其中6-羥基黃酮在‘SK 3010’-WL vs. ‘SK 3010’-CK比較組中含量增多,說明漬水脅迫后紫花苜蓿‘SK 3010’體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧自由基更多,引起了具有抗氧化作用的6-羥基黃酮的上調(diào),這與漬水脅迫下‘SK 3010’受到的損傷更嚴(yán)重結(jié)果相一致。
本研究通過對不同秋眠級紫花苜蓿漬水處理發(fā)現(xiàn),高秋眠級品種‘WL 525HQ’較低秋眠級品種‘SK 3010’的MDA含量更低、耐漬性更強(qiáng)。代謝組學(xué)分析結(jié)果表明,‘WL 525HQ’受到漬水脅迫影響的代謝途徑中谷氨酸、絲氨酸、谷氨酰胺和天冬酰胺等代謝產(chǎn)物含量顯著上調(diào),說明這些代謝產(chǎn)物參與的氨基酸代謝過程提高了紫花苜蓿的耐漬性。本研究不僅為不同秋眠級紫花苜蓿耐漬性差異機(jī)制研究提供了理論參考,還為開發(fā)利用和挖掘不同耐漬性紫花苜蓿有效資源提供了重要依據(jù)。