Plant Cell｜澳大利亚国立大学研究团队揭示狗尾草应对长期高温的 “生存秘籍”-三重协同机制逆天改命！

文章标题：Systems analysis of long-term heat stress responses in the C4 grass Setaria viridis

发表期刊：The Plant Cell

影响因子：10.0

C4植物因其独特的叶片解剖结构和碳浓缩机制，显著提高了CO₂同化效率，在高温、干旱及强光环境下表现出更强的光能捕获能力和水分利用效率，成为全球粮食安全的重要保障。然而，随着全球气候变暖加剧，极端高温事件频发，C4植物在长期热胁迫下的生长适应性与代谢调控网络仍存在关键科学问题。

近期，澳大利亚国立大学研究团队在The Plant Cell期刊发表题目为“Systems analysis of long-term heat stress responses in the C4 grass Setaria viridis”的研究论文。该研究通过整合转录组、代谢组及蛋白质组等多组学技术，系统解析了C4模式植物狗尾草(Setaria viridis)在长期高温胁迫下的光合适应机制与分子调控网络。

为探究长期高温对狗尾草幼苗的影响，研究设置两组处理：Heat组：幼苗正常生长2周后转入高温环境（昼42℃/夜32℃）持续2周至开花；Control组：全程正常温度（昼28℃/夜20℃）生长4周。结果发现，Heat组植株发育迟缓（图1A），地上部和根部干重均减少约50%，但根冠比无显著变化（图1B-C）；之后植物发生光合维持：高温未显著影响完全展开旗叶的光合能力，在饱和CO₂及强光（25℃）下，两组最大光合速率无差异，表明高温下碳同化能力未受损（图2）。综上可知，长期高温虽显著抑制狗尾草生物量积累，但光合机构通过适应性调控维持功能稳态。

2.1 C4循环

为了进一步研究植物长期热应激对C4循环功能的影响，该研究通过GC/MS代谢物检测，RNA-seq分析，以及定量蛋白质组学分析参与C4通路的基因表达。研究发现，在大多数情况下，核心线轴上C4循环酶在热应激下显著降低，但是NADP-ME和RBCS酶却表现为蛋白质的数量没有显著减少（图3）。C4途径代谢物DCT/DIT2观察到蛋白质水平却显著降低。研究认为，它将苹果酸转运到维管束鞘(BS)细胞的叶绿体中进行脱羧。热胁迫下植物叶片中苹果酸显著积累，但其具体积累位点（细胞类型或亚细胞区室）尚不明确。研究发现，热胁迫条件下，ASP-AT/ALA-AT上调 ，冬氨酸代谢加速（底物消耗），以至于C4酸平衡紊乱，叶肉细胞OAA氧化态积累，以及苹果酸还原受阻，最终导致跨细胞区室转运增强 ，苹果酸在BS或其他区室特异性富集（图3）。

2.2 卡尔文循环

该研究分析热应激对卡尔文循环(Calvin-Benson-Bassham, CBB)和光呼吸周期相关基因表达的影响。结果发现，与对照组相比，所有参与CBB循环的基因在转录水平上均显示显著降低（图4）。然而，在蛋白水平上，只有磷酸盐激酶(PRK)在高温下显著降低，而其他酶保持不变。

2.３ 光呼吸循环

在转录水平上，多数蛋白表达都降低，但SGAT、SHMT和HPR的蛋白水平却是显著增加（图4）。伴随这些变化的还有丝氨酸水平的显著降低和甘油酸积累的显著增加（图4）。另外，参与光呼吸循环的NH4+同化部分的代谢物，包括谷氨酸和2-氧代戊二酸，在热应激植物中也显示出显著减少（图4）。

M细胞（叶肉细胞）和BS细胞的叶绿体具有线性和环状电子传递链成分，因此，该研究解析热胁迫下C4植物叶肉细胞(M)与维管束鞘细胞(BS)叶绿体电子传递链的响应。研究发现，BS细胞中NADP-ME介导的循环电子传递主导，而光系统II(PSII)相关基因（如LHCII、psbO/P/Q）的转录本及蛋白水平显著降低，导致放氧复合体功能受损；细胞色素b6f复合体(PETA、PETC)及ATP合酶亚基(ATPB/C/F/X)的mRNA和蛋白丰度均下降，且编码PSI、LHCI的基因转录普遍抑制，但多数蛋白水平维持稳定。尽管电子传递链组分表达整体下调，热胁迫下植物仍通过冗余补偿机制（如BS细胞循环电子流增强）维持电子传输能力（图5）。

研究通过测定4周龄S. viridis的叶片发现，热胁迫植株较对照组淀粉积累量显著减少（图6A），而可溶性糖（蔗糖、葡萄糖、果糖）及渗透保护物质（海藻糖、棉子糖、脯氨酸）水平大幅升高（图6B-D）。同时，热胁迫下叶片氮含量增加导致碳氮比(C/N)下降近50%，但总蛋白仅轻微上升（图6E-F）。结果表明，高温通过抑制淀粉合成并重编程碳分配，促进可溶性糖及其衍生物积累，可能通过渗透调节与能量供给协同缓解热损伤。

鉴于上述发现，热应激期间糖和淀粉代谢的大量重编程，该研究检测编码酶的基因在淀粉和糖生物合成中的表达（图8）。结果发现，在热胁迫植物中参与淀粉合成的基因、AGPase大亚基(APL1)和小亚基 (APS1) 、淀粉合酶(SS)和淀粉分枝酶(SBE)蛋白质丰度水平上没有表现出显著变化。但是，APL1和APS1的转录水平显著降低。热胁迫下，参与蔗糖合成的关键酶(cFBA、cPGI、cPGM、UGP2、SPP)蛋白丰度显著增加，但其转录水平(如cFBA、cFBP、SPS)及蔗糖分解酶(SUS、INV)的基因表达却普遍下调或上调（图8），这与代谢组学显示的蔗糖、葡萄糖、果糖积累（图7）一致，表明高温通过转录后调控增强蔗糖合成与分解。此外，海藻糖-6-磷酸(T6P)的推定前体（海藻糖）显著积累，但T6P合成相关基因(TPS、TPP)的转录与蛋白均未被检测。研究进一步发现，棉子糖合成酶优先定位于BS细胞，而水苏糖合酶(GolS1/2)富集于M细胞，暗示细胞分化代谢对热胁迫下糖类转运与渗透保护的协同调控作用。

高温显著抑制了狗尾草的生长发育（图1），其激素调控网络呈现特异性重塑：尽管水杨酸(SA)、茉莉酸(JA)、生长素(IAA)及苯乙酸(PAA)水平无显著变化，但脱落酸(ABA)激增至对照的20倍（图9），驱动抗逆响应；同时，热胁迫植株中IAA失活形式（IAA-天冬氨酸/丙氨酸偶联物）特异性积累，通过共轭修饰钝化生长素信号通路。转录组分析进一步支持JA与油菜素内酯(BR)信号增强，而水杨酸(SA)、乙烯(ET)、赤霉素(GA)和细胞分裂素(CK)通路被抑制，揭示高温通过ABA主导的抗逆应答与生长素失活策略协同调控发育停滞与逆境适应。

长期高温胁迫下，绿色狗尾草(S. viridis)通过三重协同机制平衡生长抑制与光合稳健性。首先，碳代谢重编程：减少淀粉合成，增加可溶性糖（如蔗糖、脯氨酸）积累，优化能量分配与渗透保护；其次，抗氧化防御增强：激活SOD、APX等酶清除活性氧(ROS)，保护光合机构（如PSII）免受氧化损伤；最后，C4代谢路径切换：叶肉叶绿体氧化条件下优先利用天冬氨酸替代苹果酸运输CO₂，维持碳浓缩效率（图10）。上述机制协同保障光合电子传递链功能，避免光抑制发生，为解析C4植物耐热性及作物抗逆改良提供关键理论靶点。