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四川大学和中国农科院都市研究所发表环境因子调控植物次生代谢产物合成的观点文章

花匠小妙招
2025-09-23 14:15

近日， Molecular Plant杂志在线发表了由四川大学和中国农业科学研究院都市研究所共同完成的题为 “ Linking environmental signals to plant secondary metabolism: the combination of field trials and environmental simulators ” 的观点文章（Opinion）。文章针对复杂环境因子如何调控植物重要次生代谢物生物合成进行讨论，并提出了一种整合多组学技术、田间试验、环境模拟器技术的植物代谢调控网络新模型，旨在为未来生物育种与环境适宜性评价提供新思路。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.12.017

植物次生代谢物的产生与改变是植物适应环境变化最重要的机制之一，这些天然小分子化合物同时也是植物果实色泽、风味和营养的重要体现，因而可利用环境因子靶向调控代谢流走向并提高作物品质。目前的研究标明，植物接收到外界环境因子（光、温、水、气、肥等）的变化后，会引起一系列的信号级联反应，激活或抑制下游基因的表达，从而调控植物生长发育过程和代谢物的改变。但与形态建成相比，环境因子调控代谢物全局改变的报道相对较少，具体的机制解析仍然显得很零散，缺乏系统研究。这是因为一方面，环境因素对代谢变化的影响需要更长的时间才能体现且代谢物的检测对设备灵敏度有更高的要求。另一方面，环境因素在各种实验中相互耦合且变化无常，导致实验的可靠性和可重复性有所降低。

图A 环境影响植物次级代谢物合成的过程

为更好的解析环境因子对代谢物的调控作用，作者提出了利用多组学技术，综合田间实验和环境发生模拟器的优势剖析代谢物调控机制的实验模型。该研究策略的核心是依赖日渐成熟的设施农业技术精确调控各种环境因子组合，并利用飞速发展的多组学技术高精度表征基因表达、蛋白质水平和代谢水平的全局动态，进而建立起“环境因子-信号途径-代谢调控”的全局调控网络。

图B 研究环境影响植物次级代谢物合成的方法

这种新的研究策略可以按以下步骤进行：i) 在田间试验中获取作物的综合环境数据和多组学数据。ii) 在环境模拟器中线性化或组合模拟某种环境因子，并以高时空分辨率进行转录组学、蛋白质组学和代谢组学分析植物对环境因素的响应情况。iii) 综合分析田间试验和设施培育的多组学数据，剖析环境因素与代谢动力学之间的调控机制。iv) 培育高产高营养作物，并在环境模拟器中和田间验证和观察新品种的农艺性状。在此模型中，田间试验和环境模拟器的结合是研究环境变化与代谢动力学之间关系的有效手段，在一定程度上可有效预测未来气候变化、短期极端天气条件和稀有地点（太空农业等）的气候动态对植物生长发育和代谢调控的影响，最终助力于作物优良品质育种。

责编：小罗

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