引言：玉米（Zea mays L.）是全球最重要的粮食作物之一，但其生长和产量严重受到盐碱胁迫的制约。盐碱土壤中高浓度的NaHCO₃和Na₂CO₃不仅造成渗透胁迫和离子毒害，还会引发剧烈的氧化损伤。与中性盐胁迫相比，盐碱胁迫对植物的危害更为复杂和严重。类黄酮作为一类重要的抗氧化次生代谢产物，在植物逆境适应中发挥关键作用，然而其在玉米响应盐碱胁迫中的调控机制尚不明确。

2025年8月，吉林农业大学关淑艳及合作者在期刊《Plant Biotechnology Journal》（一区，IF=10.5）发表了题为《Metabolomics and Transcriptomic Analysis Revealed the Response Mechanism of Maize to Saline-Alkali Stress》的研究论文。

本研究筛选出极端耐盐碱自交系22KN3894和盐碱敏感自交系H23146，通过生理生化指标检测、全长转录组与广泛靶向代谢组联合分析，揭示了ZmWRKY82转录因子通过直接激活ZmCHI6表达、促进类黄酮积累、清除活性氧（ROS）的关键调控网络，为玉米耐盐碱分子育种提供了新靶点和理论依据。

研究方法及结果

1. 实验设计

研究首先从80份玉米自交系中筛选耐盐碱极端材料。通过梯度浓度（0–150 mM，NaHCO₃:Na₂CO₃=9:1）处理，确定125 mM为最适筛选浓度。综合叶片萎蔫程度和生长指标，筛选出耐盐碱自交系22KN3894（KN3894）和盐碱敏感自交系H23146（H146）。在玉米三叶一心期，分别进行对照（CK）和125 mM盐碱处理，处理后6天和12天采集根系样本，用于生理生化指标测定、全长转录组测序和广泛靶向代谢组分析。每组设置3个生物学重复。

2.生理分析

生理指标测定结果显示，盐碱胁迫下KN3894表现出更强的耐受性：

• 膜系统损伤：H146中MDA含量和相对电解质渗漏率显著高于KN3894，表明H146细胞膜损伤更严重。

• 离子平衡：KN3894中Na⁺积累较少，K⁺和Ca²⁺含量较高，Na⁺/K⁺比值显著低于H146。

• 氧化胁迫：NBT和DAB染色显示H146中O₂⁻和H₂O₂积累更多；KN3894中SOD、POD、CAT活性及总类黄酮含量均显著高于H146。

• 根系结构：扫描电镜和石蜡切片显示，H146根尖细胞塌陷、维管束严重破坏，而KN3894根系损伤较轻。

3. 转录组分析

对两个自交系不同处理时间的根系进行全长转录组测序，共获得133.78 Gb数据，鉴定出40,373个基因。

• 差异表达基因（DEGs）数量：盐碱处理后，H146中DEGs数量（4445和8812）显著多于KN3894（2229和7593），表明KN3894受胁迫影响较小。

• KEGG富集分析：KN3894特有DEGs（565个）显著富集于类黄酮生物合成、苯丙烷生物合成和玉米素生物合成通路；而H146特有DEGs（1006个）主要富集于淀粉和蔗糖代谢通路。

• 关键结构基因：类黄酮合成通路中的ZmCHS、ZmCHI、ZmFLS、ZmF3'H等在KN3894中显著上调，且表达水平高于H146。

4.代谢组分析

采用UPLC-MS/MS非靶向代谢组技术，共鉴定出1951种代谢物，其中类黄酮313种。

• 差异代谢物（DAMs）：KN3894在处理12天后，脂质和类黄酮大量积累；而H146中类黄酮积累较少。

• K-means聚类：将1606个DAMs分为12个簇，其中簇5、7、9中的代谢物（主要为类黄酮、生物碱、脂质）仅在KN3894中随胁迫时间显著上升。

• 关键类黄酮：二氢槲皮素、芹菜素、圣草酚、香叶木素等在KN3894中显著积累。

5.转录组代谢组联合分析

• KEGG联合富集：KN3894在处理12天后，转录组与代谢组共同显著富集于类黄酮生物合成通路；而H146中未见该通路的协同富集。

• WGCNA分析：共构建16个共表达模块。MEgreen模块与KN3894处理12天样本及类黄酮代谢物（二氢槲皮素、芹菜素等）高度正相关。该模块的核心基因为ZmCHI6，同时包含ZmCHS、ZmFLS、ZmF3'H等结构基因。

  

6.转录因子分析

对MEgreen模块中的基因与转录因子进行共表达网络分析，共鉴定出10个家族的119个转录因子，包括WRKY、NAC、MYB、bHLH等。其中ZmWRKY82与ZmCHI6的Pearson相关系数最高，且与多个类黄酮合成基因显著共表达。

7.关键基因功能验证

（1）RT‑qPCR验证

盐碱胁迫下，KN3894中ZmWRKY82和ZmCHI6的表达水平显著高于H146，且随胁迫时间持续上升，表达模式高度一致。

（2）转录调控机制

• 启动子分析：ZmCHI6启动子区含有两个W-box（TTGACC）元件。

• Y1H、双荧光素酶报告实验、EMSA一致证明：ZmWRKY82蛋白直接结合ZmCHI6启动子中的W-box，激活其转录。

  

（3）异源表达验证（酵母与拟南芥）

• 酵母中过表达ZmWRKY82显著增强耐盐碱性。

• 拟南芥中过表达ZmWRKY82（OE-2、OE-18）：

  • 盐碱处理后，叶片萎蔫轻，存活率高；

  • 抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性升高，MDA、H₂O₂、O₂⁻含量降低；

  • AtCHIL（ZmCHI6同源基因）表达上调，总类黄酮含量增加；

  • 而atwrky51突变体则呈现相反表型，对盐碱更敏感。

（4）玉米瞬时沉默实验

使用AsODN技术瞬时沉默玉米根系中ZmWRKY82：

• ZmCHI6表达量显著下降；

• 总类黄酮含量显著降低；

• 表明ZmWRKY82通过正调控ZmCHI6影响类黄酮积累。

  

文章亮点

机制创新：首次在玉米中揭示ZmWRKY82–ZmCHI6模块调控盐碱胁迫的新通路，证明ZmWRKY82直接结合ZmCHI6启动子激活其转录，促进类黄酮合成与ROS清除，拓展了WRKY转录因子在耐盐碱中的功能认知。

多组学解析：整合全长转录组与广泛靶向代谢组，结合WGCNA共表达网络，从80份自交系中锁定类黄酮生物合成通路为核心应答路径，精准筛选出枢纽基因ZmCHI6及关键转录因子ZmWRKY82。

功能验证：通过酵母异源表达、拟南芥过表达/突变体及玉米瞬时沉默（AsODN）等多层次实验，结合Y1H、双荧光素酶、EMSA等分子互作技术，严谨证实ZmWRKY82–ZmCHI6调控关系及其增强耐盐碱的生物学功能。

原文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.70292