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低温是限制植物自然分布和栽培区域的主要因素之一，低温冻害直接影响作物的生长、限制作物产量的高低，严重时可以引起植株不可逆的伤害甚至死亡。据统计，影响作物产量的各种环境因素中，冻害造成的减产在40%以上，如何提高植物的抗冻性成为当前的一个重要的科学问题。小麦是我国的重要粮食作物，近年来，黄淮麦区春季低温发生频率日益增加，小麦的生产受到低温胁迫带来的伤害越来越严重，因此，研究小麦低温受害机理和代谢表达水平差异，从而寻找小麦对低温的调节机理，将为筛选耐寒小麦种质和育种提供新思路。
BMC plant biology近日在线发表了我院粮油所小麦育种研究室题为“Transcription-associated metabolomic profiling reveals the critical role of frost tolerance in wheat”的研究论文。本研究基于表型、生理生化、代谢组学和转录组学分析，研究了小麦苗期抗寒性与代谢组学、转录组学之间的特征关系，揭示低温胁迫对小麦蔗糖、氨基酸与黄酮醇类物质合成积累过程中的影响。
该课题组以小麦品种冀麦325及寒敏感突变体MU-134为研究材料，与未处理对照相比，经冷胁迫处理的冀麦325和MU-134的过氧化物酶(POD)活性、脯氨酸(Pro)含量和可溶性糖含量显著增加；过氧化氢酶(CAT)和超氧化物酶活性(SOD) 在冀麦325中显著增加，丙二醛含量在MU-134中显著增加。通过转录组和代谢组分析差异基因和差异代谢物主要集中在生物素代谢、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成、糖酵解/糖异生、淀粉和蔗糖代谢等途径，揭示小麦可能通过一系列综合的能量代谢和氨基酸生物合成机制来缓解低温胁迫。Kmeans综合分析，6个聚类中有290个代谢物和27308个基因表达模式一致，进一步分析表明，大部分差异代谢物与4个关键基因的表达呈显著正相关，包括阿魏醇酰基转移酶(CFAT)、UDPG和色胺苯甲酰转移酶(TBT)；与大多数差异代谢物显著负相关的两个基因分别是类黄酮3′-单加氧酶(CYP75B4)和无蜡质26 (CER26)。同时分析了相关的转录因子，结果表明bHLH、MADS、MYB和WRKY的基因表达与本研究的小麦抗寒性显著相关。分析了黄酮醇类及蔗糖、氨基酸能源合成途径的调控通路，发现12个基因和7个代谢物与本研究的小麦苗期抗寒性显著相关。最终通过验证我们认为候选基因POD、Tacr7、UGTs和GSTU6与小麦的抗冻性相关，可作为转基因或分子标记辅助选择，促进小麦的抗冻性。
李辉团队长期从事小麦育种及分子遗传机制研究，我院粮油所吕亮杰博士为第一作者，李辉研究员和陈希勇研究员为共同通讯作者。本研究得到了河北省重点研发项目(20326313D)，河北省农林科学院科技创新专项(2022KJCXZX-LYS2)等项目的资助。
文章链接：https://bmcplantbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12870-022-03718-2