体外与体内双视角揭秘茶树无根系参与的低温响应时间密码

研究背景

低温胁迫是限制多种作物稳产的主要环境因子，而短时与长期低温响应的分子机制差异尚未明确。茶树作为常绿木本经济作物，其冬季芽休眠机制及根系在低温适应中的作用仍不清晰。以往研究多聚焦草本植物CBF依赖型通路，但对木本植物CBF非依赖型通路、光信号与低温信号互作、以及根系调控机制的认识存在空白。该研究创新性地采用体外（无根系）与体内（盆栽）双模型，通过时间序列转录组分析（3小时至14天低温处理及恢复期），系统解析茶树叶片在无根系参与下的低温响应特征，揭示短时与长期冷适应的核心通路差异及分子互作网络，为木本植物抗寒机制研究提供新视角。

研究结果

1. 低温响应的核心通路特征

该研究通过比较分析发现，茶树叶片在有无根系条件下均呈现四大保守响应特征：

（1）光合作用相关基因持续下调，与叶绿体膜损伤导致的电解质渗漏率升高（体外2.0倍，体内4.6倍）和相对含水量下降（最低92%）直接相关；

（2）苯丙烷类生物合成通路显著上调，涉及查耳酮合成酶（TEAK019954等）、UDP-糖基转移酶等关键基因，强化次生代谢物积累以清除活性氧；

（3）DNA复制修复系统（核苷酸切除修复、碱基错配修复）整体抑制，暗示低温可能通过光系统损伤间接影响基因组稳定性；

（4）丙酮酸代谢通路下调，与能量代谢重组密切相关。这些通路在恢复期仍部分维持，特别是淀粉体代谢激活提示碳水化合物储存策略调整。

2. 短时与长期响应的分子分异

研究揭示低温持续时间显著改变信号网络架构：

短时低温（3小时-3天）：

生物钟核心组分（如LHY、PRR5）与MAPK级联通路（MPK3/6）激活，驱动早期胁迫信号传递；

激素信号（ABA、乙烯）通过FERONIA受体激酶、MYB转录因子等节点强化抗逆响应；

脂肪酸合成基因（GPAT等）显著抑制，可能通过膜脂重塑增强细胞流动性。

长期低温（7-14天）：

内吞作用（发动蛋白家族）、剪接体组装及内质网蛋白加工通路激活，提示细胞内膜运输系统重组；

高光响应相关基因（如脱水诱导蛋白LEA14）持续上调，反映光胁迫与低温协同效应；

氨基酸生物合成（甘氨酸、丝氨酸）和硫胺素代谢通路富集，可能通过渗透调节物质积累维持细胞稳态。

3. 根系缺失的特异性调控网络

体外模型揭示无根系条件下特有分子事件：

（1）病程相关蛋白（几丁质酶TEAK034356、多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白TEAK040984）在长期低温中持续高表达，提示低温可能通过模拟病原胁迫激活交叉抗性；

（2）F-box蛋白CPR1（TEAK026986）与脂肪酸酰胺水解酶（TEAK015784）等泛素化相关基因特异性调控，暗示蛋白质稳态在无根系冷适应中的核心地位；

（3）乙烯合成限速酶ACC合成酶（CL1495.Contig4）在短期响应中特异性激活，揭示气孔调控可能独立于根系来源的ABA信号。

4. 跨通路调控枢纽基因

研究鉴定出38个参与多通路互作的关键基因，其中：

查耳酮合成酶TEAK007120同时关联MAPK信号与苯丙烷代谢，揭示次生代谢物合成与胁迫信号级联的分子耦合；

疾病抗性蛋白At1g63350（TEAK023354）通过抑制内吞作用通路，在长期低温中协调膜运输与免疫响应；

尿苷酸合酶TEAK023287连接嘧啶代谢与ROS清除系统，可能通过核苷酸稳态维持基因组稳定性。这些枢纽基因为茶树抗寒分子育种提供重要靶点。

研究价值

该研究首次通过双模型转录组解析揭示茶树叶片独立于根系的低温适应策略，阐明时间依赖性响应的分子分异规律，突破传统抗寒研究对根系信号的依赖认知。发现的生物钟-激素-次生代谢互作网络、膜运输系统重组机制及跨胁迫响应枢纽基因为木本植物抗寒理论体系注入新内容，并为茶树抗逆品种选育提供关键分子标记。

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法二：