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EEB|澳大利亚墨尔本大学农业食品与生态系统科学学院Shahnaj Parvin教授团队解析CO₂富集下降雨季对扁豆碳氮代谢的调控机制

  • 2026-10-26 14:58:51
EEB|澳大利亚墨尔本大学农业食品与生态系统科学学院Shahnaj Parvin教授团队解析CO₂富集下降雨季对扁豆碳氮代谢的调控机制

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2025 年,墨尔本大学 Shahnaj Parvin 教授团队在Environmental and Experimental Botany在线发表了题为 “Metabolite profiling reveals distinct changes in C-and N-metabolism of lentil (Lens culinaris Medik.) under CO₂ enrichment in two contrasting growing seasons in the field” 的研究论文。该研究通过代谢组学分析明确了大气 CO₂浓度升高(e [CO₂])对雨季农业生态系统中扁豆碳、氮代谢的调控作用,揭示了e [CO₂] 会放大不同降雨季对扁豆代谢的影响:高降雨季下e [CO₂] 强化与活跃生长、根瘤固氮相关的代谢模式,低降雨季下则增强胁迫响应相关代谢特征,而非缓解水分亏缺的负面影响,这为未来气候变化下豆科作物的代谢适应机制研究提供了新视角。该研究的代谢组学数据也为优化半干旱地区扁豆栽培策略、培育适应未来CO₂浓度升高的豆科作物新品种提供理论依据。

研究背景

大气CO₂浓度持续升高是未来气候变化的核心特征之一,作为光合作用的直接底物,e [CO₂] 通常能促进C3作物的生长和产量,但该效应受库容量、水分条件等环境因素调控。豆科作物可通过根瘤固氮将光合固定的碳水化合物与固氮细菌进行交换,而干旱作为半干旱地区作物生长的主要限制因子,会抑制光合碳同化和向根瘤的碳转运,进而限制根瘤固氮,同时诱导植物积累脯氨酸、多元醇等胁迫响应代谢物。

目前关于e [CO₂] 与干旱的互作研究多集中于温室或短期干旱条件,大田自然干湿季下e [CO₂] 对豆科作物叶片和根瘤碳、氮代谢的协同调控机制仍不明确;且尚未明确e [CO₂] 缓解干旱胁迫的效应是仅源于气孔导度降低的水分保存,还是包含额外碳水化合物触发的代谢通路重塑。扁豆作为半干旱地区的重要豆科作物,生殖期常遭遇干旱胁迫,其产量和固氮能力受季节水分条件影响显著。基于此,研究团队以扁豆为材料,在大田FACE(自由空气CO₂富集)平台开展两个对比降雨季的试验,旨在解 e [CO₂] 下扁豆叶片和根瘤的代谢响应模式,阐明水分条件介导e [CO₂] 调控豆科作物碳、氮代谢的分子机制。

研究内容

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

研究结论与意义

本研究首次在大田FACE条件下解析了两个对比降雨季中e [CO₂] 对扁豆叶片和根瘤碳、氮代谢的协同调控机制,推翻了 “e [CO₂] 可缓解低降雨季对扁豆代谢负面影响” 的假说,明确了e [CO₂] 会放大而非缓解季节水分条件对扁豆代谢的效应:高降雨季下e [CO₂] 通过加快碳水化合物消耗和转运,激活叶片和根瘤的能量代谢、氨基酸合成及根瘤固氮,强化与活跃生长相关的代谢模式;低降雨季下e [CO₂] 则促进叶片和根瘤中多元醇、脯氨酸、腐胺等胁迫响应代谢物的积累,同时抑制蛋白源性氨基酸和能量代谢相关中间产物的合成,增强植物的胁迫响应特征,但也加剧了植物的氮限制。

该研究填补了大田自然干湿季下e [CO₂] 调控豆科作物碳、氮代谢互作机制的研究空白,首次揭示了豆科作物叶片和根瘤对e [CO₂] 的代谢响应存在组织特异性,为理解未来CO₂浓度升高下半干旱地区豆科作物的代谢适应策略提供了新的代谢组学视角。同时,研究明确了季节水分条件是介导e [CO₂] 调控扁豆代谢的核心因子,为半干旱地区扁豆的栽培管理(如根据降雨趋势优化种植策略)提供了理论依据;鉴定出的e [CO₂] 响应型代谢物(如脯氨酸、肌醇、天冬酰胺)也为培育适应未来气候变化的豆科作物新品种提供了代谢层面的候选标记,具有重要的农业生产应用价值。

本期编辑:

李正阳     东北林业大学

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