文献解读 | 小麦根部环境的代谢研究

一、背景介绍

小麦是广泛种植的作物，其生产稳定性直接关联粮食格局，全球小麦需求逐年上升，而可耕地却每年缩减，加之极端高温与干旱频率升高，使得传统一年生小麦产量波动显著，因此研究培育高产抗逆的多年生小麦体系成为迫切需求。近年来多年生小麦的植物-土壤-微生物互作研究突显重要性，小麦根系如何随种植年限动态分泌代谢物、进而重塑根际微生物群落，需要进一步系统解析，本研究结合代谢组，比较多年生小麦根际代谢，可揭示根系-微生物-土壤互作的分子基础，鉴定多年生特性的关键代谢物。

 

二、材料方法

 

本研究覆盖四年田间试验（2020–2024），地点为意大利蒙泰利布雷蒂试验站，包含了多年生小麦品系（235a、280b、11955、OK72）、一年生小麦品系Ardente以及多年生的中间偃麦草，样本取样方式为在第1年与第4年收集根际土及植物根，−80 °C 保存待测。代谢物提取使用80%甲醇-0.1 %甲酸溶液超声后离心过滤（0.22 µm），经UHPLC-IM-QTOF-MS正负离子模式检测，MS-DIAL完成峰提取与去同位素，MS-FLO过滤加合物，以PlantCyc、ClassyFire、NPClassifier进行注释，数据经log转化及Pareto标准化后，生物信息学分析应用MetaboAnalyst和R（FactoMineR、pheatmap）开展 PCA、热图、Ward 聚类分析；差异代谢物由 ANOVA结合Fisher’s LSD统计学方法进行判定。

 

三、结果讨论

研究共鉴定2527种代谢物，脂质与类脂分子占比最高，来源以真菌、细菌和植物为主，对比发现整体代谢谱上呈显著隔离（PC1为54.8%），且随年限进一步分化（PC2为8.7%），与一年生硬粒小麦相比，多年生品系富集616个差异代谢物，其中黄酮、苯丙素、α-亚麻酸显著上调，表明早期即建立多年生的生化基础，不过第 4年样本数据显示品系间差异迅速收敛，反映了长期驻留下环境过滤效应增强。不同基因型样本比较显示，代谢差异在第1年最为突出，其中OK72 样本单独聚类，共识别 352个 DAMs，其中α-亚麻酸衍生物等含量显著高于其余3个品系；小麦样本与草根样本的比较，显示草根中黄酮、生物碱、喹啉类及 β-内酰胺显著富集，小麦根中整体代谢物丰度随年限下降，其中 OK72的4年样本与草根聚类分析发现，两者均呈现高丰度嘌呤核苷等，提示了此多年生样本的特征性代谢。

 

四、研究结论

研究基于UPLC-QTOF-MS代谢技术，在单批次内全景捕获根-根际2000余种小分子，突破传统研究瓶颈；通过追踪种植年限与基因型引起的动态差异（第1年616个vs第4年趋同），为多年生驯化建立时间标尺；通过进一步将黄酮、α-亚麻酸衍生物等关键信号与氮封存、病害防御表型关联，实现“代谢物-功能”精准映射；并以 OK72 的代谢指纹量化早期“多年生化程度”，理论上可缩短育种周期，为农田高产稳产与碳封存协同提供数据体系。

 

五、结果展开

图1. 显示所鉴定出的代谢物概览。 

 

A. 显示根据ClassyFire分类系统划分的2527种注释代谢物的概览，可归入 17 个超类、169 个亚类；其中脂质及类脂分子最多，占 21.8 %（括号内为 552 种）。

B. 显示根据LOTUS数据库划分的代谢物来源分布，按生物来源看，真菌占 30.3 %、细菌 23.0 %、植物 15.5 %。

 

图2. 显示生长1年（Y1）和4年（Y4）采集的11955、235a、280b、OK72、Ardente（一年生）和Tpi（草样本）品种小麦根或根土样本代谢数据的主成分分析图（PCA），虚线椭圆突出显示了不同时间点及根系/根际中非驯化植物基因型（NPGs）特有的聚类趋势

 

图3. 显示差异代谢物（DAMs）统计分析结果。   

 

A. 与一年生硬粒小麦相比，第1年 NPG 根有 616 个 DAMs，根际仅 15 个；第 4 年 NPG 与 11 年 Tpi 比较，根有184 个，根际有138 个 DAMs。  

B. 显示四个小麦品种比较，第1年根有352个DAMs，第 4 年仅 2 个，表明基因型效应随年限迅速收敛。

 

图4. 显示第一年样本中多年生小麦与单年生小麦根部代谢差异分析。 

 

A. 显示一年样本中根系代谢物的主成分分析图（PCA），分组按基因型（11955、235a、280b、OK72 和 T. durum cv Ardente）进行。

B. 热图显示黄酮、苯丙素等代谢物在 NPG 中富集。  

C. 箱线图显示 adenine、pseudouridine、syringic acid 等代谢物在 NPG 根中显著升高。

 

图5. 显示多年生小麦与单年生小麦根际样本的差异分析。 

 

A. 显示主成分分析图（PCA），对比11955、235a、280b、OK72 和 T. durum cv Ardente各组样本的区分。

B. 显示基于ClassyFire分类的根际代谢物层次聚类分析热图。  

C. 显示丙二酰大豆苷、脱氯脱氢灰黄霉素等代谢物丰度的箱型图。

 

图6. 显示四个多年生品种小麦根系样本代谢数据比较分析。

 

A. 显示主成分分析图（PCA）对比11955、235a、280b、OK72各组样本的区分，其中OK72单独成簇，其余三品系部分重叠。  

B. 显示基于ClassyFire分类的根际代谢物层次聚类分析热图，OK72品系样本中脂肪酸、肉桂酸、吲哚等类别高表达。  

C. 箱型图显示OK72品系根部样本中OPDA等代谢物显著高于其他品系。

 

 图7. 显示第4年小麦样本与草样本之间的代谢数据比较分析。

 

A. 主成分分析双标图（PCA biplot）显示多年生小麦与草根根系样本对比。

B. 主成分分析双标图（PCA biplot）显示多年生小麦与草根根际样本对比。

 

参考文献：

Giannelli, G., Luche, S., Righetti, L. et al. Unveiling the root–rhizosphere environment of perennial wheat: a metabolomic perspective. BMC Plant Biol 25, 942 (2025).