摘""要：大花萬代蘭（Vanda"coerulea），為附生型植物，根裸露在空氣中生長，具有重要的觀賞價值，也是蘭花育種的重要親本。從組學水平探究大花萬代蘭根的生長發(fā)育機制，能為全面了解氣生根獨特適應機制提供理論基礎。本研究以大花萬代蘭氣生根3個不同發(fā)育水平的根部位為材料，結合轉錄組和代謝組學，揭示大花萬代蘭根部不同部位的生長發(fā)育情況及其防御適應機制。轉錄代謝聯(lián)合分析結果顯示，2份對比組的差異表達基因（DEGs）和差異積累代謝物（DAMs）顯著富集在代謝途徑、各種次生代謝物的生物合成途徑和植物激素信號傳導等途徑。轉錄組結果顯示，根部分生區(qū)（A）與伸長區(qū)（B）有11"995個DEGs，上調6274個，下調5721個。伸長區(qū)（B）與成熟區(qū)（C）共有3673個DEGs，上調1691個，下調1982個。代謝組結果顯示2份對比組DAMs共有102個，上調52個，下調50個。在根系的生長發(fā)育上，生長素（auxin）、赤霉素（GAs）、脫落酸（ABA）等相關基因在植物根部發(fā)育過程中有顯著變化。在防御適應機制上，生物堿（alkaloids）、類黃酮（flavonoids）、木質素（lignins）等化合物合成相關基因在根的分生區(qū)和伸長區(qū)表達相對成熟區(qū)較多。說明氣生根的發(fā)育受上述激素調控且積累較多種類的次生代謝物，提高自身的防御能力。

關鍵詞：轉錄組；代謝組；大花萬代蘭；生長發(fā)育；植物防御機制中圖分類號：S682.31""""""文獻標志碼：A

Process"of"Root"Development"and"Defense"of"Vanda"coerulea"Based"on"Metabolome"and"Transcriptome

DAN"Dongying1，"LONG"Qiangyu2，3，"LI"Jiawei1*

1."College"of"Forestry，"Guangxi"University"/"Guangxi"Key"Laboratory"of"Forest"Ecology"and"Conservation，"Nanning，"Guangxi"530004，"China;"2."Nanning"Botanical"Garden，"Nanning，"Guangxi"530029，"China;"3."Nanning"Qingxiushan"Scenic"and"Historic"Tourism"Development"Co.，"Ltd，"Nanning，"Guangxi"530004，"China

Abstract："Vanda"coerulea，"an"epiphytic"plant"with"bare"roots"growing"in"air，"has"important"value"for"orchid"breeding"and"ornament."Exploring"the"development"and"defense"mechanism"of"the"aerial"roots"from"the"omics"level"can"provide"a"theoretical"basis"for"comprehensive"understanding"of"the"unique"adaptation"mechanism"of"aerial"roots."In"this"study，"we"used"three"root"sites"with"different"developmental"levels"of"V."coerulea"aerial"roots"as"materials，"combined"with"transcriptomics"and"metabolomics，"to"reveal"the"development"of"different"parts"of"V."coerulea"roots"and"the"defense"mechanisms."Transcription-metabolism"analysis"showed"that"the"differentially"expressed"genes"（DEGs）"and"differentially"accumulated"metabolites"（DAMs）"were"significantly"enriched"in"the"metabolic"pathway，"biosynthesis"pathway"of"various"secondary"metabolites"and"pathway"of"plant"hormone"signaling"in"two"comparison"groups."Transcriptome"analysis"showed"11"995"DEGs"between"the"meristematic"（group"A）"and"elongation"（group"B）"zones"of"the"root，"with"6274"up-regulated"and"5721"down-regulated."There"were"3673"DEGs"between"the"elongation"（group"B）"and"maturation"zone"（group"C）"of"the"root，"with"1691"up-regulated"and"1982"down-regulated."Metabolomic"results"revealed"102"DAMs"between"the"two"comparison"groups，"with"52"up-regulated"and"50"down-regulated."In"the"development"of"roots，"the"relative"expression"levels"of"growth"regulators"such"as"auxin，"gibberellins"（GAs）"and"abscisic"acid"（ABA）"had"significant"changes"in"different"developmental"stages"of"plant"roots."In"terms"of"defense"mechanism，"the"genes"related"to"the"synthesis"of"alkaloids，"flavonoids，"and"lignins"were"more"expressed"in"the"meristem"and"elongation"zone"of"roots"than"in"the"mature"zone."The"results"indicate"that"aerial"roots"development"under"the"regulation"of"the"above-mentioned"hormones"and"accumulate"a"variety"of"secondary"metabolites"to"improve"defensive"capabilities.

Keywords："mranscriptome;"metabolome;"Vanda"coerulea;"development;"plant"defense"mechanisms

DOI："10.3969/j.issn.1000-2561.2025.02.004

蘭科（Orchidaceae）是被子植物最大的科之一，具有觀賞價值和藥用價值，依其所屬生態(tài)類型可分為地生蘭、附生蘭和腐生蘭3類[1]。萬代蘭屬（Vanda）植物屬于附生蘭，為單軸莖的熱帶蘭，無假鱗莖，有明顯莖干，堅固而直立，葉片革質，綠色。葉表面有較厚的角質層，具較強的抗旱性。其花形碩壯、花姿奔放、花色艷麗，花期較長，是世界知名的商品化蘭花，也是世界重要的觀賞蘭花[2]。大花萬代蘭（Vanda"coerulea）的花型較大，花色為淺紫或深藍色，花期可持續(xù)約一個月，是萬代蘭屬內(nèi)雜交育種的重要親本種質資源[3]。萬代蘭屬植物莖上具多數(shù)粗壯的氣生根，其肥厚的圓柱狀氣生根與空氣直接接觸。前人針對萬代蘭屬植物氣生根的成熟區(qū)的結構及光合生理已有一定研究，但對于其不同發(fā)育階段的轉錄和代謝調控仍缺少研究。

根是植物固定和吸收水分、營養(yǎng)以支持植物生長和新陳代謝的主要器官，探究根的功能性狀，是理解植物生理響應和適應機制的重要一環(huán)[4-5]。附生植物與地生植物最顯著的差異在于根的生長環(huán)境缺少土壤的支持，為適應附生環(huán)境水分與養(yǎng)分的限制，尤其水分限制，附生蘭科植物的根演化出一系列結構和生理特征來減少水分散失、提高水分快速吸收及增加水分存儲。如多數(shù)附生型蘭科植物的根最外層由根被結構覆蓋[6]，根被細胞成熟過程經(jīng)歷了與導管細胞類似的細胞程序化死亡過程，最終僅由細胞壁加厚的死細胞組成[7]。根被吸水達飽和非常迅速，且干燥時可減少根內(nèi)水分蒸散，具有促進水分吸收及減少水分散失的功能[8-9]。生活在水分供應受限強烈地區(qū)的蘭科植物的根，具有更厚的根被[10-12]。根的導管大小是影響水分運輸?shù)闹匾笜耍缴吞m屬（Cymbidium）植物的根較地生型植物，具有較大導管直徑，說明附生蘭科植物可通過提高水分吸收效率來適應水分供應受限的生境[11]，部分附生蘭科植物根肉質化，皮層細胞層數(shù)增多貯藏光合產(chǎn)物及水分，具有緩沖水分限制的功能[13-15]。對附生植物氣生根發(fā)育過程中轉錄和代謝組學層次的研究，能為完整理解氣生根的適應機制，以及附生植物的引種馴化和栽培育種提供理論支持。

生長素（auxin）作為植物生長發(fā)育重要的植物激素，可通過在根尖下表面細胞中積累抑制根尖向重力生長。赤霉素（GAs）可以促進主根的伸長，但會對側根、不定根的發(fā)育產(chǎn)生負面影響。脫落酸（ABA）以濃度依賴和吲哚乙酸互作等方式調控植物根系生長[16]。上述植物激素不僅在根系發(fā)育上發(fā)揮作用，還與部分代謝物共同參與植物根系的防御機制。植物防御機制的建立主要依賴于植物次生代謝物，這些代謝物產(chǎn)物非常豐富且其功能多樣化。據(jù)報道，生物堿（alkaloids）可以對捕食性昆蟲產(chǎn)生毒性來保護植物[17]，類黃酮（flavonoids）中的花青素可以保護植物免受干旱、溫度的脅迫[18]。木質素（lignins）可減少病原體侵入和有害物質對植物的損害[19]。此外，植物激素也能與類黃酮等代謝物共同參與到植物抗逆脅迫當中，彼此制約或促進來維持植物的生命過程。

結合前人對于根生長調控的廣泛研究基礎，本研究針對大花萬代蘭氣生根的分生區(qū)、伸長區(qū)和成熟區(qū)，進行高通量Illumina測序，探究大花萬代蘭根不同生長發(fā)育階段的基因調控和代謝物積累變化差異，研究結果能為了解氣生根不同階段生長發(fā)育情況及其在植物防御過程中的作用提供理論基礎。

1""材料與方法

1.1""材料

本研究選取大花萬代蘭根尖為研究對象，采自廣西農(nóng)業(yè)科學研究院資源圃溫室大棚。大棚夏季平均溫度22～30"℃，冬季平均溫度8～10"℃；平均濕度60%～70%。隨機選取3～6株根尖發(fā)育良好有氣生根的健康植株，取氣生根時，在不損傷莖的前提下，距離莖部1"mm左右用枝剪剪下。剪下的根樣品分為分生區(qū)（A）、伸長區(qū)（B）和成熟區(qū)（C），并立刻用液氮保存。

1.2""方法

1.2.1""轉錄組測序與分析""將大花萬代蘭根尖9個樣本進行RNA提取與檢測轉錄組測序。委托武漢邁維生物科技有限公司完成轉錄組測序。簡要流程如下：使用瓊脂糖凝膠電泳、NanoPhotometer分光光度計、Qubit"2.0熒光計、Agilent"2100生物分析儀檢測RNA，合格后方可進行建庫。建庫起始RNA為total"RNA，總量≥1"μg，建庫試劑盒為Illumina的NEBNext?"UltraTM"RNA"Library"Prep"Kit。使用qRT-PCR對文庫有效濃度進行準確定量（文庫有效濃度高于2"nmol/L），庫檢合格后，把不同文庫按照有效濃度及目標下機數(shù)據(jù)量的需求pooling后進行Illumina測序。

使用fastp對原始數(shù)據(jù)進行過濾，后續(xù)所有分析均基于clean"reads。使用RSEM軟件計算轉錄本的表達量，使用Benjamini＆Hochberg方法校正P值。校正后的P值以及|log2"（Fold"Change）|作為顯著差異表達的閾值。基于超幾何檢驗進行富集分析，KEGG富集分析以pathway為單位進行超幾何分布檢驗，GO富集分析則基于GO"term進行。

1.2.2""代謝組測定與分析""委托武漢邁維生物科技有限公司完成代謝組測定。簡要流程如下：將凍干的材料用研磨機（MM"400，"Retsch）研磨成粉末溶于甲醇萃取液中，離心10"min，去除未溶解殘渣。樣品提取液使用SCAA-104濾膜（0.22"μm，"ANPE）和CNWBOND"Carbon-GCB"SPE濾盒（ANPEL）進行過濾。使用液相色譜-電噴霧電離-串聯(lián)質譜（LC-ESI-MS：LC，"Shim-pack"UFLC"Shimadzu"CBM30A"system;"ESI，"MS，"Applied

Biosystems"6500"QTRAP）系統(tǒng)進行檢測。色譜分離采用ACQUITY"UPLC"HSS"T3"C18（1.8"mm，"2.1"mm×100"mm;"Waters）。

線性離子阱（LIT）和三重四極桿（QQQ）掃描在API"6500"QTRAP"LC/MS/MS系統(tǒng)上進行，并由Analyst"1.6軟件（AB"Sciex）控制。通過參數(shù)值（m/z數(shù)據(jù)，保留時間和碎片）進行代謝物的鑒定，鑒定結果與數(shù)據(jù)庫MetaWare（http：//www."metware.cn/）進行比較和注釋。差異積累代謝物（DAMs）的篩選標準：選取Fold"Change≥2和Fold"Change≤0.5且VIP≥1的代謝物。

1.2.3""轉錄組學和代謝組學聯(lián)合分析""結合轉錄組學和代謝組學，把結果相同組的差異表達基因（DEGs）及DAMs同時映射到KEGG條形圖上，條形圖展示了富集到某一途徑的DAMs和DEGs的數(shù)目。通過網(wǎng)絡圖來表示DAMs與DEGs之間的相關關系，圖中不同組學的物質用不同的形狀標出。為進一步研究植物根部不同部位生長發(fā)育及其防御機制，在差異表達閾值設定為Padj≤0.05，|Log2"（Fold"Change）|≥1的基礎上篩選出植物次生代謝、植物激素等相關DEGs。

1.3""數(shù)據(jù)處理

使用Excel、Origin軟件分析數(shù)據(jù)。

2""結果與分析

2.1""轉錄組結果與分析

將大花萬代蘭根部進行轉錄組測序分析，共獲得419"235"416條raw"reads，數(shù)據(jù)過濾生成平均4473.8萬個clean"reads，平均每個樣品得到6.71"Gb"clean_bases，Q20堿基百分比為97.08%～97.51%，Q30堿基百分比為92.11%～93.00%，數(shù)據(jù)整體測序錯誤率為0.03%，低于1.00%（表1）。

根據(jù)RNAseq結果，篩選DEGs。A"vs"B共有11"995個差異表達基因，上調6274個，下調5721個。B"vs"C共有3673個差異表達基因，上調1691個，下調1982個（圖1）。

2.2""KEGG富集分析

對unigenes進行注釋后，根據(jù)其參與的KEGG途徑進行分類。結果顯示，共有48"513條參與包括細胞過程、環(huán)境信號處理、遺傳信息處理、代謝和生物系統(tǒng)的KEGG途徑，并且在A"vs"B和B"vs"C分別富集了142條和136條KEGG途徑，選取富集分析結果中q-value最低的50條KEGG途徑，繪制富集條目柱形圖（圖2A）。在A"vs"B中DEGs最多的前5條KEGG途徑為代謝途徑、次生代謝物的生物合成途徑、植物激素信號轉導途徑、植物-病原體相互作用途徑、淀粉和蔗糖代謝途徑。在B"vs"C中DEGs最多的前5條KEGG途徑為代謝途徑、次生代謝物的生物合成途徑、植物-病原體相互作用途徑、植物激素信號轉導途徑和苯丙烷類生物合成途徑。2個比較組途徑的差異為淀粉和蔗糖代謝途徑、苯丙烷類生物合成途徑。

選取富集最顯著的20條途徑繪制KEGG富集散點圖（圖2B）。在A"vs"B中DEGs顯著富集Top"5的途徑為植物激素信號轉導途徑、各種植物次生代謝的生物合成途徑、類黃酮生物合成途徑、角質（木栓素、蠟）生物合成途徑和苯丙烷類生物合成途徑。

而在B"vs"C富集Top"20條途徑中，DEGs顯著富集Top5的途徑為植物-病原體相互作用途徑、苯丙烷類生物合成途徑、次生代謝物的生物合成途徑、各種植物次生代謝的生物合成以及角質（木栓素、蠟）生物合成途徑。2個比較組最顯著富集途徑的差異為植物激素信號轉導途徑、類黃酮生物合成途徑以及次生代謝物的生物合成途徑。

2.3""GO富集分析

對大花萬代蘭根部轉錄組的unigenes進行GO注釋，結果顯示54"044（34.84%）條unigenes被注釋到GO數(shù)據(jù)庫，并被劃分到GO的三大類中。富集結果顯示，2組unigenes都以生物過程大類中的細胞過程、代謝過程等為主；在細胞組分大類中，富集于細胞解剖實體和含蛋白質的復合物；在分子功能大類中，以結合、催化活性為主（圖3A）。

按生物過程、分子功能和細胞組分功能群對根部不同區(qū)域產(chǎn)生的DEGs進行GO功能富集分析。結果表明，在A"vs"B中，上調基因主要富集于生物過程的細胞過程、代謝過程和刺激響應過程；細胞組分的細胞解剖實體以及分子功能大類中的結合、催化活性。下調基因主要富集于生物過程的細胞過程、代謝過程和生物調控過程；細胞組分的細胞解剖實體以及分子功能大類中的結合、催化活性。在B"vs"C中，上調和下調基因都主要富集于生物過程的細胞過程、代謝過程和刺激響應過程；細胞組分的細胞解剖實體以及分子功能大類中的結合、催化活性（圖3B）。

2.4""代謝組檢測與分析

基于UPLC-MS/MS檢測平臺和自建數(shù)據(jù)庫共檢測到2個比較組顯著DAMs共有102個，上調52個，下調50個。其中氨基酸及其衍生物、核苷酸及其衍生物、有機酸、甘油酯、鞘脂、溶血磷脂酰膽堿、溶血磷脂酰乙醇胺、游離脂肪酸、糖類和維生素在A"vs"B分別上調6、4、0、1、0、1、2、10、0、1個，下調5、4、5、6、2、2、1、4、6、1個。在B"vs"C分別上調3、1、0、5、0、6、4、4、3、1個，下調6、1、3、0、1、0、0、1、2、0個。DAMs涉及到氨基酸及其衍生物、核苷酸及其衍生物、有機酸、甘油酯、鞘脂、溶血磷脂酰膽堿、溶血磷脂酰乙醇胺、游離脂肪酸、糖類和維生素十類。

2.5""差異積累代謝物（DAMs）篩選與分析

從上述十類代謝產(chǎn)物中，關注到磷脂酰絲氨酸（18：2）（Lmqn008024）、溶血磷脂酰乙醇胺20：2（Lmhp010757）、溶血磷脂酰乙醇胺20：2（2n異構）（Lmhp010514）、羥基蓖麻油酸（Lmbn007891）、9，10，11-三羥基-12-十八碳烯酸（Hmqn003054）在A"vs"B和B"vs"C中均上調表達。氧化谷胱甘肽（mws413）、茄三糖（Lmmn000214）、二氫鞘氨醇-1-磷酸（MWS0952）在A"vs"B和B"vs"C中均下調表達。

尿苷-5'-二磷酸-D-木糖（Zmfn000481）、茉莉酰-L-異亮氨酸（pme2074）、D-松醇（mws2104）、半乳糖醇（pme2237）、D-甘露醇（mws1155）、異抗壞血酸（MWSmce690）、溶血磷脂酰膽堿19：0（pmb2228）、溶血磷脂酰乙醇胺18：1（2n異構）*（pmb0856）在Anbsp;vs"B中下調表達，B"vs"C中上調表達。9-過氧-10E，12Z-十八碳二烯酸（pmb2787）在A"vs"B上調表達，B"vs"C中下調表達（表2）。

2.6""轉錄組和代謝組聯(lián)合分析

利用兩組學共同富集到的KEGG"pathway繪制條形圖，對于共有KEGG"pathway數(shù)目超過25的，以轉錄組為準，只展示P-value排名前25的途徑。結果表明2個比較組的DEGs和DAMs顯著富集在代謝途徑、次生代謝物的生物合成途徑和植物激素信號傳導途徑（圖4A）。篩選與上述代謝物相關的皮爾遜系數(shù)大于0.80且P-value小于0.05的DEGs繪制相關性網(wǎng)絡圖（圖4B）。

綜上所述，結合KEGG、GO富集分析結果得出，根系發(fā)育是一個十分復雜的過程，涉及到植物激素信號轉導途徑、次生代謝物的生物合成途徑、類黃酮生物合成途徑、苯丙烷類生物合成途徑、代謝途徑、角質（木栓素、蠟）生物合成途徑、植物-病原體相互作用、細胞過程、代謝過程、細胞解剖實體和含蛋白質的復合物等過程。

2.7""植物激素相關基因分析

從A"vs"B、B"vs"C兩個比較組中篩選到與生長素（auxin）有關的DEGs分別有264、83個，上調基因分別有127、35個，下調基因分別為137、48個。生長素響應因子（auxin"response"factor，"ARF）在A"vs"B、B"vs"C中總體均下調表達，生長素外排PIN家族蛋白（auxin"efflux"carrier"family"protein，"PIN）在A"vs"B中總體呈現(xiàn)下調表達，而在B"vs"C中上調表達，生長素響應IAA蛋白（auxin-responsive"protein，"IAA）在A"vs"B中總體呈現(xiàn)上調表達，而在B"vs"C中呈現(xiàn)下調表達（圖5）。

從A"vs"B、B"vs"C兩個比較組中篩選到與赤霉素（GAs）有關的DEGs分別有72、18個。上調基因分別有37、11個，下調基因分別有35、7個。其中，有赤霉素受體GID1（gibberellin"receptor，"GID1）家族基因GID1B-like（A）在A"vs"B中上調表達，而在B"vs"C中下調表達，GID1C（A）、GID1C-like"isoform"X1"（A）基因在A"vs"B中下調表達，B"vs"C中上調表達（圖6）。

從A"vs"B、B"vs"C兩個比較組中篩選到與脫落酸（ABA）相關DEGs分別有289、99個。上調基因分別有172、54個，下調基因分別為117、45個。其中，絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶SRK2（serine/threonine-protein"kinase，"SRK2）、蛋白磷酸酶2C（protein"phosphatase"2C，"PP2C）相關基因在A"vs"B中總體呈現(xiàn)上調表達，而在B"vs"C中呈現(xiàn)下調表達（圖6）。

正值代表代表該基因上調，"負值代表下調。

綜上表明，植物根部不同區(qū)域的生長發(fā)育有顯著差異，上述基因的上調、下調表達在調控根部發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用。

2.8""植物次生代謝物相關基因分析

從A"vs"B、B"vs"C兩個比較組中篩選到與生物堿（alkaloids）有關的DEGs分別有95、34個，上調基因分別有66、14個，下調基因分別有29、20個。其中，托品酮還原酶（tropinone"reductase"I，"TR-I）、3-O-乙酰丙烷氧烷羧酸酯酶（3-O-"acetylpapaveroxine"carboxylesterase，"CXE1）相關基因在A"vs"B總體呈現(xiàn)上調表達，而在B"vs"C呈現(xiàn)下調表達（圖7）。

從A"vs"B、B"vs"C兩個比較組中篩選到與類黃酮（flavonoids）有關的DEGs分別有151、58個，上調基因分別有71、23個，下調基因分別為80、35個。其中，類黃酮3'-單加氧酶（flavonoid"3'-mono oxygenase）家族基因在A"vs"B中總體下調表達，而在B"vs"C中上調表達，黃酮醇合酶（flavonol"synthase，"FLS）、雙功能二氫黃酮醇4-還原酶（bifunctional"dihydroflavonol"4-reductase，"DFR）、花青素合酶（anthocyanidin"synthase，"ANS）基因總體在2組中均下調表達，異黃酮（isoflavone）基因總體2組中均上調表達（圖8）。

篩選與木質素（Lignins）有關的DEGs。A"vs"B、B"vs"C中分別有75、57個，上調基因分別有64、22個，下調基因分別有11、35個。關注到咖啡酰輔酶A-O-甲基轉移酶（Caffeoyl-CoA-3-O-methy ltransferase，"CCoAOMT）、過氧化物酶（Peroxidase，"PRX）、阿魏酸-5-羥化酶（Ferulate-5-hydroxylase，"F5H）、肉桂酰輔酶A還原酶（Cinnamoyl-CoA"reductase，"CCR）相關基因在A"vs"B中總體呈現(xiàn)上調表達，而在B"vs"C中呈現(xiàn)下調表達（圖9）。

3""討論

3.1""與植物生長發(fā)育相關的顯著富集途徑及其代謝物

植物激素在植物的生長發(fā)育比如胚胎形成、種子萌發(fā)、形態(tài)建成、果實成熟以及器官衰老等，以

及在抵抗環(huán)境脅迫，比如干旱、鹽堿、高溫、寒冷和洪水等非生物脅迫中發(fā)揮重要的調控作用[20]，它主要由植物激素信號傳導途徑產(chǎn)生。植物典型5類激素主要包括生長素（auxin）、赤霉素（GAs）、細胞分裂素（cytokinin）、脫落酸（ABA）和乙烯

（ethylene）。植物在長期的進化當中為了抵抗環(huán)境脅迫已經(jīng)進化出復雜的機制來感知和響應外部壓力[21]。本研究富集結果表明在大花萬代蘭根部分生區(qū)和伸長區(qū)產(chǎn)生了大量的植物激素來刺激根的生長發(fā)育以及抵抗環(huán)境脅迫。

Auxin作為植物生長發(fā)育重要的植物激素，參與了根的生長過程。生長素響應因子（ARF）可以與IAA蛋白相互作用來調控auxin反應基因的表達，而生長素外排載體（PIN）家族的成員也被證明處于Aux/IAA和ARF的控制之下。IAA、ARF、PIN蛋白相互作用有助于維持Auxin穩(wěn)態(tài)[22]。本研究中，Auxin相關基因的大量表達表明，其在大花萬代蘭氣生根的發(fā)育發(fā)揮著重要作用，而ARF在A"vs"B、B"vs"C中均下調表達。PIN蛋白在A"vs"B中下調表達，而在B"vs"C中上調表達。IAA蛋白在A"vs"B中上調表達，而在B"vs"C中下調表達。說明auxin在氣生根中的反應極其復雜，這與前人在植物根部研究中的現(xiàn)象一致，可能與IAA、ARF、PIN蛋白的相互作用有關，三者的相互調控共同維持auxin穩(wěn)態(tài)，促進氣生根的生長發(fā)育。

GAs是四環(huán)二萜類化合物[23]，在植物生長發(fā)育中有著重要的作用，它能夠影響根系發(fā)育，促進植株根莖的伸長，且較高水平的GA限制植株根系生長。研究表明，GA可以促進主根的伸長，但會對側根、不定根的發(fā)育產(chǎn)生負面影響[24]。赤霉素受體（GID1）是植物GA中重要的受體之一，被鑒定為可溶性GA受體[25]，并且GID1家族有3個受體基因GID1a、GID1b和GID1c，其中GID1b被證明在根系中的表達非常強烈[26]。GA-GID1復合物可以引起生長抑制因子DELLA蛋白的快速分解來促進植物生長，DELLA是核轉錄調節(jié)因子，可抑制GA信號轉導，通過在內(nèi)胚層中表達穩(wěn)定的DELLA突變蛋白從而抑制根伸長[27-28]。本研究GID1B-like（A）基因在根部的強烈表達與前人結果一致，其在A"vs"B中上調表達，B"vs"C中下調表達，這一結果證明了該基因在根系伸長區(qū)部分含量較高，并且GID1B-like（A）很可能在根部作為主要的GA結合受體參與到GA-GID1的過程中引起DELLA蛋白的快速分解來促進植物生長。

ABA是一種主要的非生物應激反應激素，可以與auxin、GA等共同調節(jié)植物根系的發(fā)育并且在維持根分生組織活性和細胞伸長方面起著重要作用。研究表明ABA通過激活auxin生物合成基因的表達來促進auxin在根系中的積累，ABA處理減小了根分生組織大小、分生組織區(qū)細胞數(shù)和成熟區(qū)細胞長度，從而限制了根系伸長[29]。ABA對根毛伸長的影響很大程度上取決于主要的PYR/PP2C/SnRK2信號途徑，擬南芥PID編碼絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶（SNF1相關蛋白激酶2，SnRK2蛋白），該激酶通過控制PIN的亞細胞定位來調節(jié)生長素的再分布，特別是在根尖部分，在ABA處理后，幾乎所有這些auxin生物合成基因在根尖上調[30]。蛋白磷酸酶PP2C作為ABA受體被誘導，PP2C能夠通過接觸使ABA信號的正調節(jié)因子SnRK2發(fā)生去磷酸化作用而失活[31]。本研究絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶（SRK2）、蛋白磷酸酶（PP2C）相關基因在A"vs"B中上調，而在B"vs"C中下調，進一步驗證了SRK2和PP2C的互作反應主要發(fā)生于植物伸長區(qū)部分，可能是通過SRK2促進auxin在該區(qū)域的積累，而PP2C使得SRK2失活這一相互作用來控制根部伸長區(qū)的伸長。

3.2""與植物防御機制相關的顯著富集途徑及其代謝物

植物次生代謝途徑主要產(chǎn)生植物次生代謝物，在植物響應環(huán)境變化過程中起到非常重要的作用。植物的次生代謝產(chǎn)物非常豐富，研究發(fā)現(xiàn)次生代謝物的功能是多樣化的，它們可以促進植物生長發(fā)育、建立植物的防御機制[32]，保護植物免受病蟲害等。目前從植物分離獲得的次生代謝產(chǎn)物主要分為三大類：包括含苯環(huán)結構的苯丙烷類、異戊烯基的萜類以及含氮的生物堿。在本實驗中GO顯著富集于生物過程的代謝過程并結合KEGG富集表明大花萬代蘭根部會產(chǎn)生大量的次生代謝物，這些代謝物在植物-環(huán)境相互作用、植物-微生物相互作用以及促進根的生長發(fā)育上發(fā)揮調控作用。

苯丙烷途徑由芳香族氨基酸苯丙氨酸和酪氨酸開始，由莽草酸途徑合成[33]，是一條重要的植物次生代謝途徑，其產(chǎn)物主要包括lignins、flavonoids和酚類化合物等，通過產(chǎn)生抵御病原物侵染的物理和化學屏障，在植物應答逆境脅迫中扮演著重要的角色，使植物對外界生物和非生物脅迫產(chǎn)生一定的抗性作用。在本實驗中GO和KEGG富集表明在A"vs"B、B"vs"C中，苯丙烷途徑都是最顯著富集之一的途徑，表明大花萬代蘭根尖處在發(fā)育階段組織機械強度比較弱的情況下，可通過化學防御應對外部脅迫。

Alkaloids是天然存在的特性代謝物，氮是其化學結構中存在的特征元素，其表現(xiàn)出廣泛的生物學特性，可以為植物進行固氮來應對環(huán)境脅迫，包括生物和非生物反應，如可以對蜜蜂、蠟螟等捕食性昆蟲產(chǎn)生毒性[17]。此外，紫外線UV-B還可以引起玫瑰花根毛alkaloid含量的增加以保護植物免受輻射傷害[34]。除非生物因素外，植物激素對于alkaloid也具有一定的調控作用[35-36]。Alkaloid被合成的過程中有大量不同的酶作為底物參與合成過程并且發(fā)生一系列的催化反應，例如氧化、還原、?；龋@闡釋了本研究托品酮還原酶（TR-I）、3-O-乙酰丙烷氧烷羧酸酯酶（CXE1）在根部中的誘導表達以及GO富集結果中的DEGs在A"vs"B、B"vs"C中均顯著富集在分子功能大類中的酶的結合、催化活性上，TR-I和CXE1在A"vs"B中上調，而在B"vs"C中下調表達，表明根部伸長區(qū)正在發(fā)生大量與alkaloid有關的植物抗逆防御反應，而在根的成熟區(qū)這些反應可能變慢或不顯著。

Flavonoids由苯丙烷類化合物和聚酮類化合物途徑合成[33]，是一種包含10000多種結構的次生代謝物，廣泛存在于植物界當中[37]。根據(jù)其基本骨架的結構，可以分為不同的類別，如查爾酮、黃酮醇和花青素[38]。在自然界中，flavonoid參與了許多生物過程，例如黃酮醇不僅能作為信號分子與植物激素共同調控植物根系的發(fā)育[39-40]還能對干旱和鹽脅迫作出響應[41]；光照、溫度、干旱等可以誘導花青素的表達以保護植物免受各種環(huán)境的脅迫[18]。Flavonoid能夠在植物與環(huán)境、植物與微生物的相互作用中起到重要作用。本研究中，F(xiàn)LS、ANS在A"vs"B、B"vs"C中均下調表達，表明其在根部分生區(qū)的含量較高，說明flavonoid類化合物對于分生區(qū)的保護作用尤為重要。成熟區(qū)由于根被的成熟，機械強度增加，防御相關化合物的積累顯著較少。

Lignins是植物細胞壁的主要成分之一，是一種天然酚類聚合物，分子量高，組成結構復雜。其生物合成廣泛有助于抗倒伏性以及對各種生物和非生物脅迫的反應[42]。植物細胞壁是抵御外界危害的第一道屏障，其中l(wèi)ignin能夠提供植物在面對外部環(huán)境壓力和侵襲時的抗性和防御機制，增強植物的抗性，減少病原體侵入和有害物質對植物的損害。因此，lignin與植物抗病、抗蟲、耐熱、耐寒等脅迫有一定關系[19]。研究表明，在水分脅迫下lignin中咖啡酰輔酶A-O-甲基轉移酶（CCoAOMT）在大豆根部伸長區(qū)顯著上調，這可能是與木質部木質化的增加從而限制根部水分流失有關[43]。此外，肉桂酰輔酶A還原酶（CCR）基因是lignin生物合成的關鍵基因，在植物傷口或病原體感染等條件下誘導，并且與干旱脅迫和鹽脅迫都有很強的相關性[44]。本研究中的CCoAOMT、CCR在A"vs"B中上調表達，而在B"vs"C中下調表達，這與前人在大豆根部的研究結果一致，說明在植物根伸長區(qū)，根的維管組織成熟，需積累較多木質素，且木質素中抗脅迫、抗病原體等作用在這發(fā)育過程可能發(fā)揮著關鍵作用。

大花萬代蘭氣生根在面臨外界生物和非生物脅迫時會通過調控相關基因和代謝物進行防御。Alkaloids、flavonoids、lignins在建立根系防御機制上發(fā)揮了重要作用，可以保護植物免受病蟲害、溫度、光照、輻射等脅迫傷害。在根系的生長發(fā)育上，auxin、GAs、ABA是重要的植物激素，參與植物根部分生、伸長等過程。從DEGs和DAMs在不同部位的數(shù)量可以看出，根的分生區(qū)和伸長區(qū)反應活躍，代謝物較多，并且這些代謝物參與了植物防御機制的建立、植物代謝過程以及植物激素信號轉導等植物生命過程，如半乳糖醇、D-松醇可以增加植物防御相關基因的表達等[45-46]。本研究結果為萬代蘭根部發(fā)育的后續(xù)研究提供有力支持。

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