文章標題：Shading stress promotes lignin biosynthesis in soybean seed coat and consequently extends seed longevity

發表期刊：International Journal of Biological Macromolecules

影響因子：7.7

種皮的大分子成分，特別是木質素，在調節種子活力方面發揮著關鍵作用。在玉米-大豆間作(MSI)系統中，遮蔭脅迫可以提高大豆種子的活力。然而，種皮木質素在這一過程中的具體作用仍然知之甚少。近期，四川農業大學農學院劉江教授團隊在International Journal of Biological Macromolecules雜志上在線發表了題為“Shading stress promotes lignin biosynthesis in soybean seed coat and consequently extends seed longevity”的研究論文。該研究利用表型觀測、生理測定并結合代謝組學證明，與單一種植系統相比，來自MSI系統的大豆種皮表現出顯著更高的木質素含量和機械抗性。

田間試驗中23個大豆品種與玉米間作，成熟后，作者評估比較了不同大豆種皮樣品在間作和單作制度下的抗機械損傷能力和種皮的木質素含量。結果表明，23個品種中有21個在兩種種植模式下表現出顯著差異（圖1B）。值得注意的是，18個品種在間作條件下表現出明顯大于單作的抗性，表明間作可能提高大豆種皮的抗機械損傷能力。與抗機械損傷結果一致，大多數品種在間作和單作制度之間觀察到木質素含量的顯著差異，間作主要導致木質素水平較高（圖1C）。相關分析表明，這兩個變量之間存在高度顯著和正相關，與種植模式無關。與單作相比，間作條件下的相關性更強（圖1D）?？傮w而言，這些發現表明間作增強了大豆種皮中木質素的沉積，從而提高了它們的機械損傷抗性。

圖1. 間作誘導的大豆種皮抗機械損傷能力和木質素含量的變化

為了評估不同生長階段的光照條件對大豆種子苯丙烷類化合物代謝的影響，用兩個對遮蔭敏感性不同的大豆品種進行了人工遮蔭實驗。收獲后，分析并比較了不同處理之間種子中木質素和各種苯丙酮衍生物的水平。結果表明，遮蔭處理導致兩個品種種子中木質素含量增加（圖2A）。具體來說，SR處理（在生殖生長階段應用遮蔭）比SV（營養生長期）處理效果更顯著。相反，SR處理降低了兩個品種的原花青素水平，而SV和NL（無遮蔭處理，對照）處理之間沒有觀察到明顯差異（圖2B）。然而，當遮蔭應用于整個生育期(SW)時，耐蔭品種NHD20的原花青素水平增加。對于花青素，SV處理增加了其含量，而SR和SW處理導致兩個品種的花青素水平下降（圖2C），SR導致花青素含量最低。異黃酮也有類似的趨勢，盡管與C103相比，NHD20品種的效果不太明顯（圖3D）。此外，比較了兩個大豆品種不同遮蔭處理下種皮中的木質素含量（圖2E-F）。與種子的結果一致，遮蔭處理導致兩個品種種皮中木質素含量增加，SR處理比SV處理顯示出更明顯的效果。這些結果表明，不同生長階段的光照條件明顯影響大豆種子中苯丙烷類化合物的代謝。特別是，生殖階段的遮蔭脅迫抑制了類黃酮和異黃酮的積累，從而將代謝通量轉向木質素生物合成，導致種皮中木質素水平較高。

為了研究繁殖期遮蔭脅迫對大豆種皮木質素積累的影響，在溫室中培養大豆植株，開花后，用綠膜模擬間作光環境，施加遮蔭脅迫。遮蔭處理(ST)導致大豆冠層內光合光子通量密度(PPFD)和R/FR比相對于對照(CK)顯著降低（圖3A）。隨后在遮蔭處理后的多個時間點收集種皮樣品，以跟蹤木質素含量的動態變化。結果表明，隨著種子成熟，種皮中木質素水平逐漸增加（圖3B-C）。在遮蔭開始后10周，ST和CK處理在兩個大豆品種中的木質素含量沒有顯著差異。然而，到11周(11WAS)，ST組種皮中的木質素含量開始超過CK組，到13周(13WAS)出現統計顯著差異。收獲后(AH)，兩處理之間木質素含量的差異進一步擴大。此外，還評估了成熟種子種皮的機械損傷抗性。正如預期的那樣，在ST條件下發育的種皮在兩個品種中表現出明顯高于CK組的機械抗性（圖3D）。

此外，新收獲種子的壽命是基于人工老化變質處理(CDT)的抗性來評估的。在沒有變質條件(NCDT)的情況下，兩個品種在浸泡72小時后的發芽率接近100%（圖3E-F）。值得注意的是，與浸泡36小時后的CK相比，品種C103在ST處理下表現出更高的發芽率（圖3F），這表明ST處理促進了該品種種子發芽率的提高。當受到CDT時，變質種子的發芽率顯著下降。然而，ST處理的種子保持著明顯高于CK處理的種子發芽率。這些發現表明，生殖生長階段的遮蔭處理促進了大豆種皮中木質素的積累，從而增強了它們的機械抗性，并在惡化的儲存條件下延長了種子壽命。

為了研究遮蔭脅迫對大豆種皮代謝的影響，對溫室中培養的C103種皮進行了非靶標代謝分析。對所得代謝組學數據的主成分分析(PCA)顯示，前兩個主成分（PC1和PC2）占總方差的60%。具體來說，PC1區分不同時間點的樣品，而PC2將ST處理與CK分開（圖4A）。PCA評分圖顯示基于ST和CK處理的樣品明顯聚類。此外，質譜峰豐度的熱圖分析突出了ST和CK樣品在每個時間點的顯著差異（圖4B），表明遮蔭脅迫顯著改變了大豆種皮的代謝物譜。

在每個時間點，ST樣品中顯著上調的峰數量始終超過下調的峰數量（圖4C）。此外，GO和KEGG分析對這差異峰的途徑分析表明分別在10WAS、11WAS、13WAS和AH發現了31、33、47和77條富集的代謝途徑（圖4D）。比較分析顯示，在所有四個時間點富集了14條途徑（圖4D）。值得注意的是，與植物代謝相關的幾個途徑，包括苯丙氨酸、苯丙烷類和類黃酮生物合成差異顯著（圖4E），表明遮蔭脅迫改變了大豆種皮中的苯丙烷類代謝。

通過參考在線數據庫，識別和提取了對應于木質素生物合成途徑的間接代謝物的MS峰。這些代謝物的相對豐度隨后在不同的處理時間點進行了分析。如圖5所示，檢測到木質素生物合成途徑中的大多數中間代謝物，揭示了處理和時間點之間豐度的實質性差異。這些發現證實了種皮中的木質素生物合成受到遮蔭的影響。

值得注意的是，苯丙氨酸（木質素生物合成的前體）在ST處理中比CK明顯更豐富，這可能為遮蔭條件下的木質素生物合成提供更多的底物。此外，木質素特異性生物合成途徑上游的關鍵代謝物，包括咖啡酸、5-羥基阿魏酸和芥子酸，在ST處理中的含量低于CK。相比之下，聚合木質素的直接前體，如對香豆醇和松柏醇，在ST處理中表現出相對于CK更高的豐度。

此外，參與木質素生物合成的關鍵基因的表達水平，包括GmHCT、GmCOMT、GmCCR和GmCAD在13WAS采集的樣品中進行了定量。結果表明，與CK組相比，ST處理中這些基因的顯著上調（圖6）。這些發現進一步支持了陰涼脅迫促進大豆種皮木質素生物合成的結論。