IJBM｜四川农大刘江教授团队发现大豆种子寿命延长的关键密码——遮光胁迫促进木质素生物合成

文章标题：Shading stress promotes lignin biosynthesis in soybean seed coat and consequently extends seed longevity

发表期刊：International Journal of Biological Macromolecules

影响因子：7.7

种皮的大分子成分，特别是木质素，在调节种子活力方面发挥着关键作用。在玉米-大豆间作(MSI)系统中，遮荫胁迫可以提高大豆种子的活力。然而，种皮木质素在这一过程中的具体作用仍然知之甚少。近期，四川农业大学农学院刘江教授团队在International Journal of Biological Macromolecules杂志上在线发表了题为“Shading stress promotes lignin biosynthesis in soybean seed coat and consequently extends seed longevity”的研究论文。该研究利用表型观测、生理测定并结合代谢组学证明，与单一种植系统相比，来自MSI系统的大豆种皮表现出显着更高的木质素含量和机械抗性。

田间试验中23个大豆品种与玉米间作，成熟后，作者评估比较了不同大豆种皮样品在间作和单作制度下的抗机械损伤能力和种皮的木质素含量。结果表明，23个品种中有21个在两种种植模式下表现出显著差异（图1B）。值得注意的是，18个品种在间作条件下表现出明显大于单作的抗性，表明间作可能提高大豆种皮的抗机械损伤能力。与抗机械损伤结果一致，大多数品种在间作和单作制度之间观察到木质素含量的显著差异，间作主要导致木质素水平较高（图1C）。相关分析表明，这两个变量之间存在高度显著和正相关，与种植模式无关。与单作相比，间作条件下的相关性更强（图1D）。总体而言，这些发现表明间作增强了大豆种皮中木质素的沉积，从而提高了它们的机械损伤抗性。

图1. 间作诱导的大豆种皮抗机械损伤能力和木质素含量的变化

为了评估不同生长阶段的光照条件对大豆种子苯丙烷类化合物代谢的影响，用两个对遮荫敏感性不同的大豆品种进行了人工遮荫实验。收获后，分析并比较了不同处理之间种子中木质素和各种苯丙酮衍生物的水平。结果表明，遮荫处理导致两个品种种子中木质素含量增加（图2A）。具体来说，SR处理（在生殖生长阶段应用遮荫）比SV（营养生长期）处理效果更显著。相反，SR处理降低了两个品种的原花青素水平，而SV和NL（无遮荫处理，对照）处理之间没有观察到明显差异（图2B）。然而，当遮荫应用于整个生育期(SW)时，耐荫品种NHD20的原花青素水平增加。对于花青素，SV处理增加了其含量，而SR和SW处理导致两个品种的花青素水平下降（图2C），SR导致花青素含量最低。异黄酮也有类似的趋势，尽管与C103相比，NHD20品种的效果不太明显（图3D）。此外，比较了两个大豆品种不同遮荫处理下种皮中的木质素含量（图2E-F）。与种子的结果一致，遮荫处理导致两个品种种皮中木质素含量增加，SR处理比SV处理显示出更明显的效果。这些结果表明，不同生长阶段的光照条件明显影响大豆种子中苯丙烷类化合物的代谢。特别是，生殖阶段的遮荫胁迫抑制了类黄酮和异黄酮的积累，从而将代谢通量转向木质素生物合成，导致种皮中木质素水平较高。

为了研究繁殖期遮荫胁迫对大豆种皮木质素积累的影响，在温室中培养大豆植株，开花后，用绿膜模拟间作光环境，施加遮荫胁迫。遮荫处理(ST)导致大豆冠层内光合光子通量密度(PPFD)和R/FR比相对于对照(CK)显著降低（图3A）。随后在遮荫处理后的多个时间点收集种皮样品，以跟踪木质素含量的动态变化。结果表明，随着种子成熟，种皮中木质素水平逐渐增加（图3B-C）。在遮荫开始后10周，ST和CK处理在两个大豆品种中的木质素含量没有显著差异。然而，到11周(11WAS)，ST组种皮中的木质素含量开始超过CK组，到13周(13WAS)出现统计显著差异。收获后(AH)，两处理之间木质素含量的差异进一步扩大。此外，还评估了成熟种子种皮的机械损伤抗性。正如预期的那样，在ST条件下发育的种皮在两个品种中表现出明显高于CK组的机械抗性（图3D）。

此外，新收获种子的寿命是基于人工老化变质处理(CDT)的抗性来评估的。在没有变质条件(NCDT)的情况下，两个品种在浸泡72小时后的发芽率接近100%（图3E-F）。值得注意的是，与浸泡36小时后的CK相比，品种C103在ST处理下表现出更高的发芽率（图3F），这表明ST处理促进了该品种种子发芽率的提高。当受到CDT时，变质种子的发芽率显著下降。然而，ST处理的种子保持着明显高于CK处理的种子发芽率。这些发现表明，生殖生长阶段的遮荫处理促进了大豆种皮中木质素的积累，从而增强了它们的机械抗性，并在恶化的储存条件下延长了种子寿命。

为了研究遮荫胁迫对大豆种皮代谢的影响，对温室中培养的C103种皮进行了非靶标代谢分析。对所得代谢组学数据的主成分分析(PCA)显示，前两个主成分（PC1和PC2）占总方差的60%。具体来说，PC1区分不同时间点的样品，而PC2将ST处理与CK分开（图4A）。PCA评分图显示基于ST和CK处理的样品明显聚类。此外，质谱峰丰度的热图分析突出了ST和CK样品在每个时间点的显著差异（图4B），表明遮荫胁迫显著改变了大豆种皮的代谢物谱。

在每个时间点，ST样品中显著上调的峰数量始终超过下调的峰数量（图4C）。此外，GO和KEGG分析对这差异峰的途径分析表明分别在10WAS、11WAS、13WAS和AH发现了31、33、47和77条富集的代谢途径（图4D）。比较分析显示，在所有四个时间点富集了14条途径（图4D）。值得注意的是，与植物代谢相关的几个途径，包括苯丙氨酸、苯丙烷类和类黄酮生物合成差异显著（图4E），表明遮荫胁迫改变了大豆种皮中的苯丙烷类代谢。

通过参考在线数据库，识别和提取了对应于木质素生物合成途径的间接代谢物的MS峰。这些代谢物的相对丰度随后在不同的处理时间点进行了分析。如图5所示，检测到木质素生物合成途径中的大多数中间代谢物，揭示了处理和时间点之间丰度的实质性差异。这些发现证实了种皮中的木质素生物合成受到遮荫的影响。

值得注意的是，苯丙氨酸（木质素生物合成的前体）在ST处理中比CK明显更丰富，这可能为遮荫条件下的木质素生物合成提供更多的底物。此外，木质素特异性生物合成途径上游的关键代谢物，包括咖啡酸、5-羟基阿魏酸和芥子酸，在ST处理中的含量低于CK。相比之下，聚合木质素的直接前体，如对香豆醇和松柏醇，在ST处理中表现出相对于CK更高的丰度。

此外，参与木质素生物合成的关键基因的表达水平，包括GmHCT、GmCOMT、GmCCR和GmCAD在13WAS采集的样品中进行了定量。结果表明，与CK组相比，ST处理中这些基因的显著上调（图6）。这些发现进一步支持了阴凉胁迫促进大豆种皮木质素生物合成的结论。

这项研究证明了MSI可以增加大豆种皮中的木质素含量，从而提高它们对机械损伤的抵抗力。进一步的分析表明，生殖生长阶段的遮荫胁迫诱导大豆种子苯丙代谢的改变，将代谢通量从类黄酮生物合成转向木质素生物合成。这种转变促进了种皮中木质素的合成和积累，这反过来又增加了其机械抗力，并在恶化条件下延长了种子寿命。这些发现强调了种皮木质素在MSI遮荫环境中调节大豆种子寿命的关键作用，并突出了MSI在生产具有增强耐贮性的大豆种子方面的潜在应用。