期刊名称：The Plant journal : for cell and molecular biology
影响因子：5.7
DOI：https://doi.org/10.1111/tpj.16783
该研究通过温室试验（Exp.Ⅰ）和田间试验（Exp.Ⅱ），探究了玉米灌浆初期（吐丝后12-32天）遭遇高温与干旱复合胁迫时，补水提升土壤含水量（SWC）对缓解产量损失的机制，试验选用XY335和ZD958两个玉米品种，在温室试验中设置6种温湿度处理（NC，30℃/20℃，SWC=75%；DS-1，30℃/20℃，SWC=55%；DS-2，30℃/20℃，SWC=35%；HS-W，35℃/25℃，SWC=75%；DHS-1，35℃/25℃，SWC=55%；DHS-2，35℃/25℃，SWC=35%），结果显示，与正常条件（NC）相比，高温干旱胁迫（如DHS-2）使玉米百粒干重降幅达39.8%-53.1%，灌浆速率最大降78.2%；而补水（HS-W）可刺激海藻糖-6-磷酸磷酸酶（TPP）、α-海藻糖酶（TRE）、ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）和淀粉合酶（SS）等关键基因的转录表达，促进海藻糖向葡萄糖转化，进而推动蔗糖向ADP-葡萄糖及支链淀粉转化，使淀粉产量提升45.1%，同时提高精氨酸、丝氨酸、酪氨酸等必需氨基酸含量；田间试验进一步验证，高温处理（HT）使XY335和ZD958产量分别降低55.0%和40.5%，而补水（HT-W）可使二者产量分别提升9.2%和7.1%，百粒重分别增加7.6%和9.1%，研究表明玉米灌浆初期遭遇高温干旱时，会抑制灌浆进程、降低籽粒重量，而通过补水可调控淀粉合成与氨基酸代谢相关基因表达，减轻胁迫对籽粒发育的抑制，缓解胁迫对玉米产量的不利影响，为应对气候变化、制定玉米抗逆管理策略及培育抗逆品种提供依据。
（1）不同杂交种在逆境下的籽粒性状
吐丝后第32天（DAS），XY335，DS-1、DS-2、HS-W、DHS-1和DHS-2的100粒干重分别比对照降低23.6%、50.8%、4.6%、39.8%和53.1%（图1A）。对于ZD958，DS-1、DS-2、HS-W、DHS-1和DHS-2的100粒干重分别降低了26.1%、34.8%、5.1%、33.8%和46.4%。此外，在受胁迫影响的环境中，与非胁迫条件相比，两个杂交组合的100粒鲜重、100粒体积和种子大小均呈现不同程度的减小趋势（图1B，C，E）。
在对XY335品种的处理下，DS-2和DHS-2的最大灌浆速度提前，并在DAS20达到峰值，如图1D所示。DHS-1在DAS24达到峰值，NC、HS-W和DS-1在DAS28达到峰值。与NC相比，DS-1、DS-2、HS-W、DHS-1和DHS-2的最大灌浆速率分别降低了28.3%、31.6%、3.2%、60.1%和78.2%。ZD958的灌浆速率呈现先增加后降低的规律，在DAS24时达到最大值。值得注意的是，ZD958的最大灌浆速率下降了10-51.4%。XY335在灌浆前期对各种处理表现出较高的敏感性，尤其是DHS-2。籽粒灌浆速率拐点出现的时间越早，变异程度越明显。
图1.不同处理下灌浆前期籽粒灌浆过程。（A）100粒干重。（B）100粒鲜重。（C）100粒体积。（D）籽粒灌浆速率。（E）种子。NC，30℃/20℃，SWC=75%；DS-1，30℃/20℃，SWC=55%；DS-2，30℃/20℃，SWC=35%；HS-W，35℃/25℃，SWC=75%；DHS-1，35℃/25℃，SWC=55%；DHS-2，35℃/25℃，SWC=35%。小写字母表示不同处理之间的显著差异（P<0.05）。竖线表示平均标准误差。SWC，土壤水分。（2）转录组图谱分析
如图1所示，XY335在灌浆初期对高温和干旱条件表现出高度的敏感性。因此，我们选择在DAS32研究高温和干旱对粒重的影响。我们进行了RNA测序分析，RNA测序结果显示三个生物重复之间存在较强的相关性，相关值范围为0.8267到0.9176。共鉴定出22171个表达基因，差异基因表达分析显示，与NC相比，DHS-2条件下的差异表达基因（DEGs）数量最多（图2b，c）。
图2d-f列出了在这些条件下富含DEGs的前20个KEGG途径。KEGG富集分析表明DEGs参与了淀粉和蔗糖代谢、碳代谢、糖酵解/糖异生、氨基酸的生物合成和氨基酸代谢（0.01<q<0.5）。
图2.不同处理下差异表达基因（DEGs）的表达模式及京都基因与基因组百科全书（KEGG）分类。（a）实验处理和取样地点。（b）Venn图显示三个不同实验处理比较中的DEGs。（c）DEGs的数量。（d–f）HS-W、DS-2和DHS-2处理下DEGs富集的前20条KEGG通路。DS-2，30°C/20°C，土壤含水量（SWC）=35%；HS-W，35°C/25°C，SWC=75%；DHS-2，35°C/25°C，SWC=35%。小写字母表示处理间显著差异（P<0.05）。SWC，土壤含水量。
在玉米发育的早期阶段，高温和干旱胁迫导致淀粉合成途径中许多基因的转录谱发生显著变化（图3）。在DS-2处理下，葡萄糖合成途径中与海藻糖-6磷酸磷酸酶（TPP）和α-海藻糖酶（TRE）相关的基因转录受到显著抑制，其中一些特定基因，如Zm00001d047110（TPP）和Zm00001d029654（TRE），显示出明显下调（图3a）。因此，与NC处理相比，TPP和TRE的表达分别下降了2.4%和3.2%（图4）。
在DHS-2处理下，与葡萄糖合成途径相关的基因如海藻糖-6-磷酸合成酶（TPS）、TPP和TRE的表达明显受到抑制。四个基因—Zm00001d012748（TPS）、Zm00001d047110、Zm00001d029371（TPP）和Zm00001d029654（TRE）—表现出明显的下调（图3b）。这导致这些基因的表达水平显著降低，其中淀粉合成途径中的SUS（Zm00001d045042）、AGPase（Zm00001d033910、Zm00001d044129和Zm00001d050032）和SS（Zm00001d037234和Zm00001d045261）受到6个基因的影响。然而，AGPase（Zm00001d039131）被诱导上调（图3b）。
在HS-W处理下，与淀粉合成相关的基因如SUS（Zm00001d047253）和TPS（Zm00001d012748、Zm00001d018342和Zm00001d052060）的转录受到显著抑制，而编码UDP-葡萄糖焦磷酸化酶（UDPase）（Zm00001d054004）的基因在淀粉合成中表现出诱导作用（图3c）。特定基因，如Zm00001d047253（SUS）以及Zm00001d012748、Zm00001d018342和Zm00001d052060（TPS），呈现显著下调，而编码UDP酶（Zm00001d054004）的基因则明显上调。因此，SUS、UDP酶和TPS的表达分别减少了1.2%、3.4%和0.6%（图4）。
此外，基于基因Zm00001d047110和Zm00001d029654的下调表达，可以得出结论，TPP和TRE的下降影响了海藻糖到葡萄糖的代谢过程，导致葡萄糖含量下降（图3a，b）。另一方面，编码AGPase的基因（Zm00001d033910、Zm00001d044129、Zm00001d050032和Zm00001d039131）和SS（Zm00001d0377234和Zm00001d045261）的转录主要受DHS-2条件的影响（图3b）。它们的表达影响了葡萄糖-1-磷酸转化为腺苷二磷酸葡萄糖，进而转化为直链淀粉，导致淀粉含量下降。然而，值得注意的是，在HS-W条件下水分的增加并没有引起淀粉合成途径中控制TPP、TRE、AGPase和SS的基因的任何变化，如图3c所示。
图3.蔗糖转化为淀粉过程中涉及的酶的活性和基因表达模式。（a）DS-2处理。（b）DHS-2处理。（c）HS-W处理。NC，30℃/20℃，SWC=75%；DS-2，30℃/20℃，SWC=35%；HS-W，35℃/25℃，SWC=75%；DHS-2，35/25℃，SWC=35%。AGPase：ADP-Glc焦磷酸化酶；SS：淀粉合成酶；SUS：蔗糖合成酶；SWC：土壤水分；TPP：海藻糖-6-磷酸磷酸酶；TPS：海藻糖-6-磷酸合成酶；TRE：α-海藻糖酶；UDPase：UDP-葡萄糖焦磷酸化酶。图4.吐丝后20天和32天蔗糖转化为淀粉的酶活性。NC，30℃/20℃，SWC=75%；DS-2，30℃/20℃，SWC=35%；HS-W，35℃/25℃，SWC=75%；DHS-2，35℃/25℃，SWC=35%。小写字母表示不同处理之间的显著差异（P<0.05）。竖线表示平均标准误差。AGPase：ADP-Glc焦磷酸化酶；SS：淀粉合成酶；SUS：蔗糖合成酶；SWC：土壤水分；TPP：6-磷酸海藻糖；TPS：海藻糖-6-磷酸合成酶；TRE：α-海藻糖酶；UDPase：UDP-葡萄糖焦磷酸化酶。
（4）可溶性总糖、蔗糖淀粉、葡萄糖和果糖
各处理间的可溶性总糖含量顺序为：NC>HS-W>DS-2>DHS-2（图5A）。在DAS20和DAS32两个处理中，可溶性总糖的水平相似。然而，DAS32处理的可溶性总糖的含量显著下降，DS-2、HS-W和DHS-2相对于NC分别下降了33.0%、28.9%和43.1%（图5A）。相反，在胁迫条件下，除DAS20外，淀粉含量显著降低（图5B）。DAS-32处理使DS-2、HS-W和DHS-2的淀粉含量分别降低了30.5%、13.7%和40.6%。至于蔗糖、葡萄糖和果糖含量，它们在DAS20和32对胁迫表现出不同的反应（图5D-F）。果糖含量在两个时间点都显著低于NC处理。在DAS32处理下，DS-2下降了8.5%，HS-W下降了4.3%，DHS-2下降了14.1%（图5D）。同样，在胁迫处理下，DAS32的葡萄糖含量与NC处理相比显著降低，DS-2下降了9.2%，HS-W下降了4.0%，DHS-2下降了8.2%（图5E）。此外，除DAS20外，在胁迫条件下蔗糖含量显著下降。与NC处理相比，DS-2的蔗糖含量下降了2.3%，HS-W下降了6.9%，DHS-2下降了9.2%。
（5）与氨基酸代谢相关的转录本
高温和干旱胁迫对提高籽粒蛋白质含量有显著影响（图5C）。与NC处理相比，DS-2、HS-W和DHS-2的籽粒蛋白质含量分别显著提高2.6%、3.2%和9.4%。与NC处理的提取物相比，DS-2、HS-W和DHS-2提取物的蛋白质水平升高，表明氨基酸的丰度在驱动蛋白质含量变化方面发挥了关键作用。
图5.吐丝后20天和21天不同处理的代谢物含量。可溶性总糖含量（A）；淀粉含量（B）；蛋白质含量（C）；果糖含量（D）；葡萄糖含量（E）；和蔗糖含量（F）。NC，30℃/20℃，SWC=75%；DS-2，30℃/20℃，SWC=35%；HS-W，35℃/25℃，SWC=75%；DHS-2，35℃/25℃，SWC=35%。小写字母表示不同处理之间的显著差异（P<0.05）。竖线表示平均标准误差。SWC：土壤水分。在DS-2处理条件下，与氨基酸如精氨酸（Arg）、色氨酸（Try）、半胱氨酸二聚体（Cys-Cys）、丝氨酸（Ser）、酪氨酸（Tyr）、脯氨酸（Pro）、亮氨酸（Leu）、谷氨酸（Glu）、苯丙氨酸（Phe）和甲硫氨酸（Met）相关的基因表达表现出上调和下调的混合趋势（图6a）。与NC处理相比，Arg、Try、Tyr、Glu、Pro、Phe、Met和Ser水平分别提高22.3、14.3、13.6、4.9、24.4、24.5、78.2和6.2%。相反，Cys-Cys和Leu的降幅分别为3.0%和57.1%（图7A）。
对于DHS-2处理条件下，编码各种氨基酸（包括赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、谷氨酸、亮氨酸、组氨酸、半胱氨酸二肽、丝氨酸、蛋氨酸、脯氨酸、丙氨酸和异亮氨酸）的基因表达显示出诱导或抑制（图6c）。与阴性对照组相比，苯丙氨酸、丝氨酸、组氨酸和半胱氨酸二肽分别增加了33.6%、45.4%、32.2%和22.0%。相反，谷氨酸、色氨酸、亮氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、丙氨酸、脯氨酸和蛋氨酸分别显著下降了34.9%、163.9%、234.6%、307.4%、87.8%、538.8%、1.1% 和 1340.4%（图7B）。
对于HS-W处理条件下，与特定氨基酸相关的基因表达，即色氨酸（Try）、脯氨酸（Pro）、组氨酸（His）、苯丙氨酸（Phe）、丙氨酸（Ala）和半胱氨酸二聚体（Cys-Cys），表现出上调和下调的组合，如图6b所示。与NC处理相比，Try、Pro、His、Phe和Ala分别显著增加了244.4%、36.6%、329.8%、149.5%和50.3%。相反，Cys-Cys略微下降了2.8%（图7C）。综合分析表明，在高温条件下增加土壤水分含量（SWC）可以诱导精氨酸（1.2mg g⁻¹）、丝氨酸（0.9mg g⁻¹）、酪氨酸（0.5mg g⁻¹）、亮氨酸（3.6mg g⁻¹）、谷氨酸（4.6mg g⁻¹）和蛋氨酸（0.6mg g⁻¹）的生物合成，为玉米植物应对不利环境提供了重要支持。
图6.氨基酸和基因表达模式。（a）DS-2处理。（b）HS-W处理。（c）DHS-2处理。NC，30℃/20℃，SWC=75%；DS-2，30℃/20℃，SWC=35%；HS-W，35℃/25℃，SWC=75%；DHS-2，35℃/25℃，SWC=35%。Ala：丙氨酸；Arg：精氨酸；Cya：氰氨基；Cys-Cys：半胱氨酸二聚体；Glu：谷氨酸；His：组氨酸；Iso：异亮氨酸；Leu：亮氨酸；Lys：赖氨酸；Met：蛋氨酸；Phe：苯丙氨酸；Pro：脯氨酸；Ser：丝氨酸；SWC：土壤含水量；Try：色氨酸；Tyr：酪氨酸。
图7.不同处理的氨基酸含量。（A）DS-2处理。（B）DHS-2处理。（C）HS-W处理。NC，30℃/20℃，SWC=75%；DS-2，30℃/20℃，SWC=35%；HS-W，35℃/25℃，SWC=75%；DHS-2，35℃/25℃，SWC=35%。小写字母表示不同处理之间的显著差异（P<0.05）。竖线表示平均标准误差。Ala：丙氨酸；Arg：精氨酸；Cya：氰氨基；Cys-Cys：半胱氨酸二聚体；Glu：谷氨酸；His：组氨酸；Iso：异亮氨酸；Leu：亮氨酸；Lys：赖氨酸；Met：蛋氨酸；Phe：苯丙氨酸；Pro：脯氨酸；Ser：丝氨酸；SWC：土壤含水量；Try：色氨酸；Tyr：酪氨酸。
（6）田间验证
在关键的早期灌浆阶段经历的高温对田间的粮食产量产生了重大的不利影响（图8A）。在高温条件下，XY335的减产幅度达55.0%，而ZD958的减产幅度为40.5%。但在灌浆前期，随着籽粒含水率的增加，对粒重和总产量有显著的正效应。具体地说，在HT-W中，XY335和ZD958的产量分别比HT提高了9.2%和7.1%。此外，HTW的粒重在XY335和ZD958分别增加了7.6%和9.1%，这突出了SWC在缓解高温对产量的不利影响方面的巨大好处。
对于两个杂交种，百粒重和体积遵循NC≥HT-W≥HT的顺序（图8B-D）。在灌浆前期（播后第64天至第84天），XY335的百粒干重始终比对照高4.8-18.8%（图8B）。同样，中稻958的百粒干重比对照高6.9-10.0%。这一积极趋势延伸到两个杂交种的100粒鲜重，其中，在HT-W中，XY335比HT增加了6.6-14.5%（图8C），而ZD958，比HT增加了3.0-5.6%。就100粒体积而言，XY335在HT-W中的体积比HT条件下显著增加10.6%，体积为30.3毫升（图8D）。ZD958的增幅比HT高3.2%。田间试验结果与温室试验结果基本一致，均表明高温条件下增加土壤水分有利于减轻热害。
图8.不同杂交种在三种处理下的田间实验（Exp.II）。（A）粮食产量和千粒重。（B）100粒干重。（C）100粒鲜重。（D）100体积。（E）穗。小写字母表示不同处理之间的显著差异（P<0.05）。竖线表示平均标准误差。HT：高温时段；HT-W：高温伴随土壤水分升高；NC：正常条件。
3.结论
该研究揭示了在玉米灌浆初期遭遇高温干旱复合胁迫时，补水通过调控蔗糖与氨基酸代谢来缓解产量损失的生理与分子机制。研究发现，高温干旱胁迫显著抑制籽粒灌浆，导致粒重大幅下降，而通过补水提升土壤含水量（SWC）则能有效缓解这一效应，在温室和大田条件下分别使产量提升28.4-76.9%和7.1-9.2%。在分子层面，补水显著上调了海藻糖-6-磷酸磷酸酶（TPP）和α-海藻糖酶（TRE）等关键基因的表达，促进了海藻糖向葡萄糖的转化，并增强了ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）和淀粉合成酶（SS）的活性，从而优化了从蔗糖到淀粉的生物合成途径，最终使淀粉产量增加了45.1%。同时，补水还提升了籽粒中精氨酸、丝氨酸、酪氨酸等多种必需氨基酸的含量，为玉米应对逆境提供了重要的代谢支持。该研究不仅阐明了水分管理在应对气候胁迫中的关键作用，也为制定抗逆玉米栽培策略、保障粮食安全提供了重要的理论依据。