“ 2026年4月，Industrial Crops and Products杂志发表了一篇题为“Integrating transcriptome and metabolome analyses to reveal regulatory mechanism of physiological leaf scorch in Ginkgo biloba L.”的转录组-代谢组联合分析文章。”

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研究背景

银杏（Ginkgo biloba L.）作为现存最古老的裸子植物之一，不仅是进化生物学研究的“活化石”，更是重要的药用和经济树种，其叶片和种子中含有黄酮、萜内酯等活性化合物。然而，随着全球气候变化导致极端高温和干旱事件频发，银杏在夏季常出现严重的“叶枯病（Leaf Scorch）”。该病害表现为叶片边缘灼烧、褐变、坏死及提前脱落，严重限制了银杏的生长和经济产量。这是一种典型的非侵染性生理障碍，主要由环境胁迫引发的水分供需失衡和氧化损伤导致。尽管其表型明显，但其背后的遗传代谢调控机制仍不清楚。该研究通过整合生理学、代谢组学和转录组学手段，系统解析了银杏叶枯病发生过程中的分子机制。

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分析结果

01. 实验设计

研究于2024年7月在北京林业果树研究院进行。研究团队根据叶枯症状的严重程度，将叶片系统性地划分为五个等级（Y0-Y4），其中Y0为健康叶片，Y4为极度枯死叶片。为了确保样本的一致性，所有样本均采集自树冠相同高度和方位的边缘叶组织。每个等级设置了生物学重复，用于后续的生理指标测定、非靶向代谢组学（LC-MS/MS）和转录组学（RNA-seq）分析。

02. 生理分析

生理指标的动态变化揭示了叶枯病进程中细胞的损伤过程：

• 膜系统损伤： 随着叶枯等级加重，相对电解质渗漏率和MDA（丙二醛）含量持续显著上升，表明细胞膜透性增大和膜脂过氧化程度加剧。

• 氧化与渗透胁迫： H₂O₂（过氧化氢）和游离脯氨酸含量逐渐积累，表明植物处于持续的氧化和渗透胁迫之中。

• 抗氧化酶活性波动： SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性呈现“先升后降”的趋势（在Y1-Y2阶段达到峰值），表明植物初期试图通过增强抗氧化能力来防御胁迫，但随着病情加重，防御系统最终崩溃。

03. 转录组分析

转录组分析显示，差异表达基因（DEGs）的数量随叶枯严重程度增加而增加。

• 通路富集： 上调基因显著富集在氨基酸糖和核苷酸糖代谢、角质/木栓质/蜡质生物合成以及脂肪酸代谢通路。

• 防御系统崩溃： 下调基因显著富集在类黄酮生物合成、植物激素信号转导以及光合作用相关通路。这从转录层面解释了为何叶枯叶片的抗氧化能力和光合系统会逐渐失效。

04.代谢组分析

非靶向代谢组学共鉴定出1687种代谢物。随着叶枯等级增加，差异代谢物（DAMs）数量逐渐增多。

• 脂质代谢上调： 上调的代谢物主要富集在脂质和类脂分子，特别是脂肪酸及其共轭物（如壬二酸、琥珀酸、花生四烯酸等）显著积累。这与生理指标中观察到的膜脂过氧化加剧相吻合。

• 黄酮类下调： 下调的代谢物主要富集在苯丙烷和聚酮化合物类，其中类黄酮（Flavonoids）是含量下降最显著的亚类（如芦丁、槲皮素等）。这表明叶片清除自由基的能力在叶枯进程中被显著削弱。

05.转录组代谢组联合分析

KEGG联合富集分析显示，上调的基因与代谢物主要富集于脂肪酸、碳及氨基酸代谢通路；而类黄酮生物合成、植物激素信号转导及基础能量代谢则受到显著抑制。这一结果从分子层面揭示了叶枯病进程中膜系统损伤与能量耗竭的机制，确立了脂肪酸代谢与类黄酮生物合成是该病理过程的关键调控环节。

06.WGCNA分析

通过WGCNA（加权基因共表达网络分析），研究锁定了与叶枯进程高度相关的基因模块。

• 关键模块： 研究发现“蓝色模块”和“绿色模块”与目标代谢物（脂肪酸和类黄酮）密切相关，且这两个模块内的基因表现出相反的表达模式。

• Hub基因鉴定： 在这些模块中鉴定出了多个关键枢纽基因（Hub genes），包括转录因子基因（如 ASR2, NAC075, ERF003, PRR73）和结构基因。这些基因同时与脂肪酸的积累和类黄酮的减少表现出显著的相关性，暗示了它们在碳源分配中的调控作用。

07.关键基因 GbUGT74E1 的功能验证

研究重点对糖基转移酶基因 GbUGT74E1 进行了功能验证，发现其具有双重调控功能：

• 增强抗旱/抗逆性： 在烟草中过表达 GbUGT74E1 后，转基因植株在PEG模拟干旱胁迫下表现出更强的抗性。其体内的MDA和H₂O₂含量显著低于野生型，而脯氨酸含量和抗氧化酶活性显著更高。

• 促进黄酮积累： 转基因烟草在胁迫下积累了更高水平的类黄酮（如异鼠李素、菲瑟素等），证实了该基因能通过促进黄酮合成来增强抗氧化能力。

• 激素重编程： GbUGT74E1 通过糖基化修饰调节了内源激素水平。它降低了生长素（IAA、IBA）含量，导致植株出现矮化（Dwarf）表型；同时增加了脱落酸（ABA）含量，增强了抗旱信号。在银杏瞬时转化中也验证了其对激素的保守调节作用。

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总结

该研究通过多组学联合分析，系统描绘了银杏叶枯病发生的动态调控网络。研究证实，叶枯病的发展是一个“代谢失衡-氧化加剧”的恶性循环过程：脂肪酸的积累加剧了膜损伤，而类黄酮的合成受阻削弱了抗氧化防线。核心基因 GbUGT74E1 被鉴定为这一过程的关键调节器，它通过重塑激素平衡（抑制生长、促进抗逆）和促进类黄酮积累，帮助植物在干旱胁迫下维持生存。这一发现不仅揭示了银杏生理型叶枯病的分子本质，也为利用分子育种技术培育抗逆银杏新品种提供了宝贵的理论依据和候选基因资源。