研究人员在澳大利亚Horsham的AGFACE（澳大利亚谷物 FACE）平台，于2015年低降雨季（生长季降雨量 109mm）和2016年高降雨季（生长季降雨量 227mm）开展扁豆大田试验，设置大气 CO₂浓度（a [CO₂]，~400μmol mol⁻¹）和升高 CO₂浓度（e [CO₂]，~550μmol mol⁻¹）两个处理，选用PBA Ace和HS3010两个扁豆基因型，采用完全随机区组设计，4 次重复。在扁豆开花期（碳、氮代谢最活跃阶段）采集功能叶和活性根瘤样品，通过GC-QqQ-MS和LC-QqQ-MS对代谢物进行定性和定量分析，结合PCA、层次聚类、代谢通路分析等手段，解析降雨季节、CO₂浓度对扁豆不同组织代谢谱的影响。
研究结果显示，共在扁豆叶片和根瘤中鉴定出 65种已知代谢物，包括16种糖类、5种糖醇、17种有机酸和27种氨基酸，且重复间数据具有高度一致性。PCA分析显示，代谢物模式的最大差异来源于组织类型（叶片 vs 根瘤）和生长季节，CO₂处理的差异较温和，而基因型对代谢谱的影响极小；PC1和PC2分别解释了39%和24%的代谢变异，证实季节水分条件是介导e [CO₂] 调控扁豆代谢的核心因子（图1）。
图1 扁豆叶片和根瘤中代谢物的主成分分析（PCA）双标图
层次聚类分析将叶片代谢物分为两大簇：簇 I代谢物在低降雨季丰度更高，且e [CO₂] 进一步促进了其中蔗糖、葡萄糖、脯氨酸、肌醇、腐胺等胁迫响应代谢物的积累，这类物质可通过维持渗透压、清除活性氧发挥抗旱作用；簇 II代谢物在高降雨季丰度更高，e [CO₂] 显著上调了其中苹果酸、琥珀酸等TCA循环中间产物，以及天冬酰胺、谷氨酰胺、苯丙氨酸等蛋白源性氨基酸的含量，表明高降雨季e [CO₂] 激活了能量代谢和氨基酸合成。
代谢通路分析进一步显示，低降雨季 e [CO₂] 下叶片蔗糖向淀粉和多元醇合成通路分配增加，TCA循环中间产物（除苹果酸外）含量降低，多数蛋白源性氨基酸合成受抑，而谷氨酸衍生的非蛋白源性胁迫氨基酸（脯氨酸、GABA、腐胺）积累；高降雨季e [CO₂] 则呈现相反模式，蔗糖消耗和转运加快，TCA循环通量提升，蛋白源性氨基酸合成增强，胁迫代谢物积累受抑制（图2）。
图2 两种扁豆基因型在不同CO₂浓度及降雨季条件下叶片的代谢物层级聚类热图
根瘤代谢物的聚类模式与叶片相似，但代谢响应存在组织特异性：低降雨季根瘤中脯氨酸、肌醇、半乳糖醇等胁迫代谢物丰度升高，e [CO₂] 进一步促进了谷氨酰胺、脯氨酸等含氮胁迫代谢物的积累，而葡萄糖、果糖等糖类，以及 TCA 循环中间产物、多数蛋白源性氨基酸含量显著降低，表明低降雨季e [CO₂] 下根瘤碳供应不足，固氮相关代谢受抑；高降雨季e [CO₂] 下根瘤蔗糖、葡萄糖等糖类含量升高，TCA循环中间产物和蛋白源性氨基酸合成激活，根瘤碳供应充足，固氮代谢活跃（图3）。
图3 两种扁豆基因型在不同 CO₂浓度及降雨季条件下根瘤的代谢物层级聚类热图
两个扁豆基因型的代谢差异极小，仅在局部代谢物上存在细微差异：低降雨季e [CO₂] 下，HS3010叶片中蔗糖、海藻糖、GABA等代谢物含量高于PBA Ace；高降雨季e [CO₂] 下，PBA Ace叶片中柠檬酸、天冬酰胺等代谢物积累更多，而 HS3010根瘤中谷氨酸衍生的氨基酸（组氨酸、脯氨酸）丰度更高，表明基因型对e [CO₂] 的代谢响应具有组织特异性，但并非调控扁豆代谢适应e [CO₂] 的关键因子（图4）。
图4 两种扁豆基因型在不同生长条件下的叶片代谢物通路图
结合同期生理数据发现，高降雨季e [CO₂] 下扁豆光合速率、生物量和根瘤固氮量较a [CO₂] 分别提升163%、40% 和41%，与代谢谱中能量代谢和氨基酸合成激活的模式一致；低降雨季e [CO₂] 虽使光合速率、生物量和固氮量较a [CO₂] 提升，但固氮量的增加无法匹配生物量的增长，导致植物氮限制加剧，与叶片和根瘤中蛋白源性氨基酸合成受抑的代谢特征相符（图5）。
图5 两种扁豆基因型在不同生长条件下的根瘤代谢物的通路图
综上所述，本研究得出以下结论：低降雨季叶片代谢会向胁迫代谢物合成偏移；该偏移会减少向根瘤的蔗糖供应，抑制根瘤氨基酸合成并增强渗透保护剂合成；e [CO₂] 可缓解低降雨季对扁豆叶片和根瘤代谢的负面影响（图6）。
图6 e [CO₂] 会放大而非缓解不同季节对扁豆代谢的影响
