六种农作物耐受干旱的见解，可研究的代谢通路竟然这么多！

        在各种胁迫因素中，水资源短缺或干旱胁迫几乎在所有地区都有发生，并对农业用地产生重大影响，导致生理、生化和分子过程的中断，持续的干旱胁迫会抑制植物生长，造成每年相当大的农业产量损失。值得注意的是，虽然水资源供应不足是干旱胁迫的常见后果，但其对作物发育的影响因强度、持续时间、发育阶段以及植物的固有特性（如根系结构、表皮蜡质成分和细胞壁强度）等多种因素而异，这些影响凸显了植物对干旱胁迫反应的多维度特征，涉及复杂而精妙的信号感知和转导机制。因此，了解作物对干旱胁迫反应的复杂机制是增强胁迫耐受性的前提。

图1 干旱胁迫和作物生产

        在小麦、玉米、水稻、鹰嘴豆、花生和大豆等作物中，研究人员已鉴定出多种胁迫响应代谢物，这些代谢物在作物适应干旱胁迫过程中发挥关键作用（图2）。 这些与干旱胁迫相关的代谢物可作为筛选耐旱性增强植株的标记，或作为育种计划、遗传/代谢工程策略的靶标。通过深入了解干旱胁迫响应相关的代谢通路，研究人员能够培育未来的抗旱智能作物，从而为应对气候变化下的可持续农业和粮食安全提供支持。 总体而言，代谢组学驱动的研究在开发抗旱智能谷类和豆类粮食作物方面展现出前瞻性力量，为缓解干旱胁迫对作物生产力的不利影响提供了创新性解决方案。

图2  小麦、水稻、玉米、大豆、鹰嘴豆和花生在干旱胁迫条件下各类代谢物的变化

1、小麦

小麦是全球种植和消费的最重要主食作物之一，干旱胁迫（DS）对其影响深远。由于养分吸收以及营养生长和生殖生长受限，小麦的产量和品质会显著下降。干旱会诱导氧化应激，主要由活性氧（ROS）的过量产生驱动，进而导致形态生理学、养分运输、光合作用、细胞呼吸和体内平衡的紊乱。作为对干旱胁迫的响应，小麦会积累胁迫响应代谢物，包括脯氨酸、可溶性糖、有机酸、酚类物质、脂质和其他抗氧化代谢物，同时激活解毒酶。这些代谢物有助于小麦耐受干旱胁迫，可能成为抗旱小麦育种的潜在生物标志物。 基于GC-MS的研究已发现干旱胁迫下小麦的显著代谢变化。例如，研究注意到一些极性代谢物显著增加，包括草酸、苹果酸、蔗糖、L-苏氨酸、γ-氨基丁酸（GABA）和谷氨酸，其中耐旱基因型的磷酸和葡萄糖酸积累量最高。代谢谱分析还发现，耐旱小麦基因型（HX10）比干旱敏感型（YN211）积累更多的生物碱、酚类物质、黄酮类化合物、氨基酸和有机酸。同样，研究观察到脂肪酸的变化，耐旱小麦显著积累油酸和棕榈酸，但亚麻酸和亚油酸减少。另有研究报道，为适应干旱胁迫，与胁迫响应相关的代谢物、有机酸、氨基酸、酚酸和脂质的积累增加。另一项研究指出，在干旱胁迫下，小麦幼苗中脯氨酸、葡萄糖、果糖、1-酮糖、苹果酸和蔗糖积累增加，复水后这些代谢物减少，这凸显了代谢物响应的独特性。先进的LC-MS方法进一步扩展了对胁迫驱动代谢反应的见解。例如，Stallmann等人在持续干旱胁迫（Cd）和脉冲干旱胁迫（Pd）条件下，从小麦旗叶中鉴定出19种代谢物，Pd条件下鉴定出的代谢物比Cd条件下更多。此外，Pd和Cd条件均使水杨酸葡萄糖苷减少，而Pd条件独特地增加了苯并恶嗪类（BXD）葡萄糖苷和麦黄酮二-O-己糖苷。Li等人在耐旱和干旱敏感品种中报告了205种差异丰富代谢物（DAMs），如花生四烯酸、6-十五烷基水杨酸、核黄素和马斯里酸，富集的通路包括两个品种中的α-亚麻酸代谢和ABA信号通路，以及耐旱品种中的TOR信号通路。在另一项研究中，Michaletti等人在耐旱和干旱敏感小麦品种的叶片中鉴定出300多种代谢物，这些代谢物影响两个品种中糖类、有机酸和氨基酸的丰度。与耐旱品种中最小的变化相比，干旱敏感品种中蛋氨酸、脯氨酸、赖氨酸、精氨酸、支链和芳香族氨基酸的水平增加。整合多种方法为干旱胁迫响应提供了进一步的见解。例如，GC-TOF/MS分析在干旱敏感（JD8）和耐旱（JD17）面包小麦幼苗中鉴定出58种代谢物类型，这些代谢物影响干旱胁迫诱导的GABA代谢、糖酵解、通过谷氨酸的脯氨酸生物合成、三羧酸（TCA）循环、转氨作用以及通过莽草酸途径的次级代谢变化。在IC-MS的帮助下，Koobaz等人在干旱胁迫和恢复条件下鉴定出21种胁迫响应代谢物，包括来自TCA循环的8种中间体（富马酸、顺式乌头酸、琥珀酸和柠檬酸）、6种核苷酸、1种有机酸和6种糖酵解代谢物。值得注意的是，与水分充足的对照相比，干旱胁迫下TCA循环中间体减少，表明干旱胁迫抑制了中心代谢。

2、水稻

水稻作为全球重要的主食作物，在干旱胁迫（DS）下面临显著的生产力挑战，其生长、生理和代谢均受到影响。利用LC-MS、GC-MS等先进工具开展的代谢组学研究，已揭示干旱胁迫诱导的代谢重编程机制，鉴定出对水稻适应和耐受干旱至关重要的关键通路和代谢物。 非靶向LC-MS分析发现，干旱胁迫下水稻代谢物发生显著改变。例如，研究鉴定出434种代谢物（108种上调、132种下调），其中有机酸占比13.59%，核苷酸及其衍生物占比10.37%。另一项LC-MS研究在干旱敏感型水稻中鉴定出103种差异丰富代谢物（DAMs），富集于苯丙氨酸、GABA和半乳糖代谢相关通路；而耐旱型水稻的DAMs则涉及葡萄糖、蔗糖、脯氨酸、色氨酸和脂肪酸生物合成。 在水稻穗部研究中，LC-MS检测到对照（无干旱）、中度干旱和重度干旱处理之间分别存在107、110和124种DAMs，代谢变化涉及抗氧化防御、光合作用和能量代谢。Du等人在干旱前施氮（NBD）和干旱后施氮（NAD）组之间鉴定出518种DAMs，凸显了与光合作用、氮代谢、抗氧化防御、渗透调节、氧化还原稳态和能量代谢相关的胁迫耐受通路。另一项针对不同氮水平下粳稻的研究发现，无论是否施加干旱胁迫，均存在显著的DAMs，这些代谢物与富集的能量代谢通路（如D-丙氨酸代谢和磷酸转移酶系统）相关。 基于GC-MS的代谢组学分析也发现了干旱胁迫下的关键代谢物。例如，Barnaby等人在15个水稻品种的不同缺水条件下鉴定出40种代谢物，其中肌醇、果糖、葡萄糖、棉子糖、支链氨基酸、甘露醇、腐胺和脯氨酸发生显著变化。Lawas等人分析了干旱胁迫及复水下水稻品种的旗叶和发育中种子，鉴定出甘氨酸、核糖醇、柠檬酸、N-羧基甘氨酸、亮氨酸、葡萄糖、异亮氨酸、脯氨酸、蔗糖、缬氨酸、异柠檬酸、酪氨酸、棉子糖、甘油酸和苏氨酸等胁迫响应代谢物，这些代谢物在开花期和灌浆初期等不同发育阶段表现出差异。 多种代谢组学工具进一步揭示了水稻对干旱胁迫的响应与适应机制。例如，LC分析在干旱条件下鉴定出434种代谢物，其中DAMs与能量代谢、葡萄糖代谢、氨基酸代谢、谷胱甘肽代谢、生长素生物合成、TCA循环、植物激素信号转导以及萜类、黄酮类等次级代谢物生物合成相关。Vijayaraghavareddy等人利用UPLC分析耐旱和干旱敏感基因型水稻小穗的代谢组谱，鉴定出63种代谢物（包括28种次级代谢物、7种核酸、20种氨基酸和8种碳水化合物）。耐旱基因型中次级代谢物、碳水化合物和蔗糖转运蛋白显著上调，而干旱敏感基因型在干旱胁迫下积累更多氨基酸。

3、玉米

玉米作为全球人类及家养动物饮食中的主要谷物，也是保障全球粮食安全的关键作物，在干旱胁迫（DS）条件下会面临显著的产量损失，且其多种代谢过程均会受到影响。借助多种分析方法开展的代谢组学研究，已就干旱胁迫下玉米的生化响应机制展开深入探究，并揭示了关键代谢物及代谢通路。 利用LC-MS分析，Wang等人在干旱胁迫下的玉米根系中检测到394种代谢物，其中褪黑素的施用可促进黄酮类代谢物（尤其是芹菜素、木犀草素和槲皮素）的积累，降低丙二醛（MDA）水平并增强溶质势，最终促进根系生长。类似地，Li等人对干旱胁迫下的玉米花粉进行研究，鉴定出71种在多种胁迫处理中普遍存在的代谢物，这些代谢物主要涉及糖类、核苷酸和氨基酸相关的代谢通路。Zhang等人利用LC-MS对玉米叶片展开分析，在385个自然自交系的重度干旱胁迫（土壤湿度低至10%）条件下发现了3890种代谢物，其中酚胺类、脂质、糖类、苯并恶嗪类和核酸类的干旱响应代谢物特异性上调，而维生素类代谢物则呈现下调趋势。另一项由Li等人开展的研究，在两个玉米自交系（耐旱型si287和干旱敏感型X178）的种子中检测到1226种代谢物，其中si287的富集通路显著，包括苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成、氨基酸生物合成、色氨酸代谢、硫代葡萄糖苷生物合成以及苯丙氨酸代谢。 通过GC-MS分析，Li等人在干旱胁迫下的玉米初生根中鉴定出53种代谢物，其中仅有果糖在干旱胁迫下积累。研究人员认为，莽草酸途径和三羧酸（TCA）循环的抑制阻碍了初生根的生长。同样，Joshi等人在干旱胁迫下的玉米自交系“B73”叶片中鉴定出32种代谢物，发现氨基酸（脯氨酸、精氨酸和γ-氨基丁酸）积累增加，而糖酵解和TCA循环的关键中间体减少，这影响了干旱胁迫下碳氮代谢的稳定性。Sun等人利用核磁共振（NMR）光谱，在干旱胁迫（土壤含水量60%）下的玉米中鉴定出11种代谢物，其中糖类（果糖）、TCA循环相关有机酸（苹果酸和柠檬酸）以及源自谷氨酸（脯氨酸）和天冬氨酸家族（丙氨酸）的氨基酸水平均有所升高。一项针对玉米自交系（3个耐旱系：Grace E-5、Lo964和Va35；1个中等耐旱系：A638；2个敏感系：B73和Lo1016）的RP/UPLC-MS/MS分析表明，在干旱胁迫下共鉴定出409种差异丰富代谢物（DAMs），涉及糖酵解、TCA循环、尿素生物合成、脂肪酸生物合成和鞘脂代谢等多种代谢通路，这些代谢物既表现出对干旱胁迫的共同响应，也存在基因型特异性响应。

4、大豆

大豆作为人类和家畜的食用油及蛋白质重要来源，在干旱胁迫（DS）下面临显著挑战，其代谢重编程、产量和整体生产力均受影响。多种代谢组学方法有助于解析大豆对干旱胁迫的响应，重点聚焦于与耐旱性相关的代谢物和通路。 邹等人利用UPLC-MS/MS在干旱胁迫下的大豆叶片中检测到518种代谢物，包括脯氨酸、可溶性糖、酚类物质和可溶性蛋白，这些代谢物参与黄酮类生物合成、糖合成并增强渗透调节能力。王等人采用UHPLC-MS/MS研究了两个耐旱性不同的大豆品种（HN65和HN44），在HN65中鉴定出156种差异代谢物（82种上调、74种下调），在HN44中鉴定出124种差异代谢物（44种上调、80种下调），其中三羧酸（TCA）循环通过影响激素运输和氨基酸合成等过程，成为耐旱性的核心组分。在后续研究中，这些作者发现两个品种均积累苯丙氨酸、脯氨酸和蛋氨酸，且苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、脯氨酸、谷氨酸和含硫氨基酸相关通路是耐旱性的主要机制。 傅等人利用GC-MS在野生大豆和普通大豆两个品种中检测到37种代谢物，干旱胁迫下5-氨基戊酸、4-氨基丁酸、山嵛酸、4-羟基苯乙酸、葡萄糖醛酸、黏液酸、水杨酸、2-羟基吡啶、乙醇胺、磷酸豆甾醇和新橙皮苷等化合物水平升高，表明它们在耐旱性中起关键作用。张等人在耐旱野生大豆品种和干旱敏感型品种中鉴定出26种代谢物，包括14种氨基酸、2种脂肪酸、5种有机酸以及5种糖类和糖醇，这些代谢物参与耐旱机制。另一项针对这两个野生大豆品种的GC-MS分析发现，干旱胁迫下叶片中存在61种差异丰富代谢物（DAMs），渗透物质积累、抗氧化和能量代谢与耐旱性相关。 Nam等人结合GC-MS和LC-MS/MS，分析了两个大豆基因型在干旱胁迫下的初级和次级代谢物，鉴定出64种初级代谢物和476种次级代谢物，包括黄酮类、异黄酮类、苯丙素类、类固醇、生物碱、苯类化合物、脂质、胺类、糖类、糖醇、氨基酸、有机酸和脂肪酸等丰度较高的代谢物，这些代谢物共同构成了耐旱机制。

5、鹰嘴豆

鹰嘴豆是全球许多饮食中的重要组成部分，主要在雨养农业条件下种植，干旱胁迫（DS）对其构成显著挑战，不仅干扰代谢过程，还会影响生产力。然而，多种代谢组学方法已助力揭示鹰嘴豆的耐旱机制。 利用GC-MS，Yadav等人分别在干旱敏感型（GPF2）和耐旱型（PDG4）鹰嘴豆品种中鉴定出83种和107种差异丰富代谢物（DAMs），结果表明氨基酸、糖类和有机酸是耐旱的关键化合物。Nisa等人在干旱胁迫下的鹰嘴豆叶片中检测到260种代谢物，发现L-脯氨酸、阿洛糖、肌醇、苹果酸、D-果糖和丙二酸过度积累，而木糖醇、葡萄糖酸、赤藓糖醇、草酸、阿拉伯呋喃糖和苏糖酸水平降低。在一项干旱预处理研究中，对两个鹰嘴豆品种（PBG5和PBG1）营养生长早期的代谢组分析显示，共鉴定出87种代谢物，包括有机酸、碳水化合物、氨基酸、三羧酸（TCA）循环中间体、脂肪酸和糖醇，这些代谢物在品种间及预处理与未预处理田间条件下差异显著。近期一项基于GC-TOF-MS的分析表明，在四种耐旱型（JG 11、ICC 4958、IL JG 11+）和一种干旱敏感型（ICC 1882）鹰嘴豆基因型的根系中，鉴定出34种代谢物，包括缬氨酸、脯氨酸、丝氨酸、苏氨酸、天冬酰胺（氨基酸）、葡萄糖酸、柠檬酸（有机酸）、半乳糖醇、棉子糖和果糖（糖类），表明它们在干旱胁迫应对中具有重要作用。 Khan等人利用UPLC-HR-MS在干旱胁迫下的鹰嘴豆中鉴定出175种已知代谢物，发现L-精氨酸、色氨酸、L-脯氨酸、尿囊素、L-组氨酸和L-异亮氨酸积累增加，而葡萄糖胺、γ-氨基丁酸、鸟嘌呤、胆碱、天冬氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸和丙氨酸积累减少。另一项基于UPLC-HR-MS的非靶向代谢组学分析在鹰嘴豆叶片组织中鉴定出55种代谢物，其中L-异亮氨酸、L-精氨酸、色氨酸、脯氨酸和L-组氨酸丰度最高，提示它们对胁迫耐受性有贡献。类似地，Khan等人在两种耐旱性相反的鹰嘴豆基因型中检测到178种代谢物，包括氨基酸、糖醇、糖类、多胺、有机酸和多酚，其中53种代谢物在干旱胁迫下显著积累，尤其是水杨酸、5-氧代脯氨酸、糖醇、4-香豆酸、色氨酸和磷酸胆碱。

6、花生

花生是一种重要的油料和经济作物，主要种植于全球半干旱地区，在亚洲、非洲和美洲等地广泛栽培。干旱胁迫（DS）对花生构成显著挑战，会改变其多种细胞代谢物。通过GC-MS分析，Furlan等人在干旱胁迫下的两个花生品种——耐旱型EC-98和干旱敏感型Granoleic的根瘤中鉴定出58种代谢物，其中EC-98积累了海藻糖、脯氨酸和GABA等代谢物。Gundaraniya等人利用GC-MS研究非靶向代谢物，并通过UPLC-MS/MS分析靶向代谢物（多胺和多酚），对缺水条件下的两个花生基因型——耐旱型TAG 24和干旱敏感型JL 24展开研究。非靶向代谢物研究在叶片和根系提取物中分别鉴定出46种和29种代谢物，其中戊糖醇、植醇、木糖酸、D-吡喃木糖、硬脂酸和D-核糖被认定为响应干旱胁迫的重要代谢物，且缺水条件显著影响了半乳糖代谢、淀粉和蔗糖代谢、果糖和甘露糖代谢、戊糖与葡萄糖醛酸互变、丙酸代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢，以及不饱和脂肪酸生物合成等七条代谢通路。Wang等人利用LC-MS/MS分析，在干旱胁迫下的两个花生品种——耐旱型花育22和干旱敏感型阜花18的根系中鉴定出873种代谢物，发现耐旱品种维持了萜类骨架合成通路和有效的脱落酸（ABA）信号转导通路，这使其能够更好地适应干旱胁迫。

图3 整合多组学以利用植物代谢调控并改进代谢驱动的育种系统