青稞（Qingke）在耐寒性上的差异表明，耐寒品种具有特定的代谢和抗氧化适应性

青稞耐寒性生理代谢机制研究显示，耐寒型Ct品种抗氧化酶活性更高，电解质泄漏和MDA水平更低，其代谢重编程表现为初级代谢物减少及保护性化合物（如黄酮类、膜脂质）显著积累，验证了多途径协同增效的耐寒机制。

Congping Xu|Naoxue Fei|Yangna Si|Xingquan Zeng|Haizhen Yang

摘要

低温冻害（< 0°C）是高海拔地区青稞种植的主要限制因素，严重影响了产量和品质。在本研究中，我们选择了三种具有不同耐寒性的青稞品种，并采用生理学和代谢组学方法分析了冻害后整体的生理和代谢变化。研究发现，耐寒性强的青稞品种（Ct）具有更高的抗氧化酶活性，电解质泄漏和丙二醛含量最低，表明其具有很强的耐寒性。代谢组学分析显示，在冻害条件下，青稞的代谢发生了重组，表现为初级代谢物（氨基酸、碳水化合物和某些有机酸）的合成减少以及保护性化合物的积累增加。值得注意的是，Ct品种富含黄酮类化合物和关键膜脂质，包括脂肪酸、甘油脂和甘油磷脂。这表明这些途径对青稞的耐寒性至关重要。此外，Ct品种在冻害后总黄酮类和酚类化合物的积累量最高，并表现出最强的DPPH和ABTS自由基清除活性，进一步证实了黄酮类和酚类化合物积累与青稞耐寒性之间的密切关系。总之，耐寒性强的Ct品种产生的ROS清除物质比敏感品种更多，从而增强了其对冻害的耐受性。本研究为青稞的耐寒性及其潜在的代谢途径提供了新的见解，有助于培育新的耐寒青稞品种。

引言

青稞（藏青稞，Hordeum vulgare L. var. nudum）是唯一在青藏高原广泛种植的谷物作物，具有极强的适应极端环境的能力。然而，在其生长周期中，尤其是在冬季和早春，青稞经常面临持续的低温冻害（< 0°C），这严重限制了其产量、品质和海拔分布。在年平均温度低于0°C的4300米以上地区，大多数青稞品种会出现生殖异常和产量大幅下降。目前，只有少数青稞品种能够在4300米以上的高海拔地区正常生长。因此，揭示青稞的耐寒机制对于培育改良品种至关重要。

关于青稞的研究表明，C重复序列结合因子1（HvCBF10A）及其下游的Gly-Asp-Ser-Leu基序脂肪酶（HvGDSL）通过调节脂质代谢来增强青稞的耐寒性（Xu等人，2023年）。转录组学研究进一步表明，冻害会触发青稞复杂的调控网络，涉及钙信号传导、G蛋白偶联受体信号通路和GTP酶活性（Yuan等人，2017年）。尽管取得了这些进展，但对于青稞在长期冻害条件下的代谢基础仍了解有限。

低温胁迫包括两个不同的要素：寒害（0–15°C）和冻害（< 0°C）。植物进化出了多种适应低温环境的策略。除了复杂的基因调控网络外，代谢物作为应激反应的真正参与者，在低温条件下受到严格调控。在适应低温胁迫的过程中，植物产生的保护性化合物被认为是植物应激反应的主要驱动因素（Lee等人，2019年）。尽管在多个层面上已经阐明了植物对寒害的耐受机制（Jingyu等人，2016年），但青稞对冻害的代谢反应仍不清楚。识别对冻害有响应的关键代谢物并评估其在青稞中的功能作用是提高其耐寒性的有效策略。广谱代谢组学技术能够系统地量化低温胁迫下代谢物的种类和丰度变化，在植物抗寒研究中得到了广泛应用（Clemente-Moreno等人，2020年），为研究青稞的这一过程提供了有力工具。

许多植物在冻害条件下的代谢谱已被分析，包括模式植物拟南芥以及其他经济重要作物，如小麦、藜麦、桃子、猕猴桃和马铃薯（Korn等人，2010年；Sun等人，2021年；Liu等人，2023年；Li等人，2024年；Chen等人，2022年；Xie等人，2022年）。冻害会导致植物细胞内多种代谢物水平的显著变化，其中在冻害条件下特异性积累的代谢物与植物的耐寒性相关。例如，冻害会增加水杨酸和脱落酸等激素的水平，以及氨基酸、蛋白质和可溶性碳水化合物等初级代谢物的水平（Chen等人，2023年；Vaitkevičiūtė等人，2022年；Xie等人，2022年）。还有研究表明，植物通过积累大量保护性化合物来增强抗寒性。最近的研究强调了耐寒品种和敏感品种在冻害条件下的不同代谢积累模式。通常，耐寒植物在多个代谢途径中积累的代谢物比敏感植物更多，包括氨基酸代谢、脂质代谢、苯丙素生物合成和黄酮类生物合成。相比之下，敏感植物积累的与应激相关的代谢物较少，不足以抵抗寒冷损伤（Li等人，2024年；An等人，2018年）。在藏青稞中（Xu等人，2023年），短期冻害（-5或-8°C，持续24小时）会导致耐寒品种中碳水化合物、氨基酸及其衍生物、有机酸及其衍生物、萜类、脂肪酸、甘油脂和甘油磷脂等化合物的显著增加。然而，青稞对长期低温胁迫的代谢机制仍有待系统阐明。

低温胁迫会导致细胞内活性氧（ROS）的积累，这些ROS作为植物损伤的信号，触发植物的应激反应，从而引发氧化应激。氧化应激会损害细胞结构和功能，抑制代谢酶活性，在严重情况下会导致细胞死亡（Sun等人，2016年；Wang等人，2019年）。当植物感知到低温胁迫时，会启动一系列保护机制（Wang等人，2013年）。诱导抗氧化能力以清除ROS对于植物应对各种胁迫（包括低温）至关重要（Das和Roychoudhury，2014年；Gururani等人，2013年；Lanza和Reis，2021年）。黄酮类化合物是植物中最具生物活性的保护性化合物之一，在应对寒冷和其他胁迫时显著积累。研究表明，黄酮类化合物作为抗氧化剂，有助于清除由非生物胁迫引起的ROS积累，这一过程对植物抵御寒冷至关重要，使黄酮类化合物成为重要的非酶防御成分（An等人，2024年；He等人，2023年）。先前的研究表明，破坏黄酮类化合物的生物合成途径会降低水稻的耐寒性（An等人，2024年）。对54个拟南芥品种的分析显示，几种黄酮类化合物的水平与耐寒性显著相关，强调了槲皮素和花青素衍生物在耐寒性中的重要作用（Schulz等人，2015年）。此外，Pawlikowska-Pawlęga等人（2014年）表明，黄酮类化合物可以保护细胞膜和蛋白质免受寒冷胁迫的影响，展示了它们在维持细胞膜稳定性的作用。这些发现表明，黄酮类化合物在植物耐寒中起着重要的保护作用，但其在青稞耐寒性中的具体作用仍有待研究。

基于上述背景，本研究选择了三种具有不同耐寒性的青稞品种作为研究材料：St（对冻害敏感）、Tt（对冻害有过渡性反应）和Ct（耐冻）。利用广谱代谢组学技术，我们对这三种青稞品种在冻害条件下的代谢谱进行了比较分析。此外，通过鉴定差异积累的代谢物（DAMs），确定了对冻害有响应的关键代谢物及其涉及的代谢途径。我们的发现不仅加深了对植物耐寒性和环境适应机制的理解，还为作物耐寒性的遗传改良提供了宝贵信息。

研究片段

植物生长和寒害处理

本研究使用了三种不同类型的青稞，分别标记为冻害敏感型（St）、过渡型（Tt）和耐冻型（Ct），代表了不同的耐寒性梯度。每种类型各有三个品种：St（Z86、Z94、Z45）、Tt（W25、W40、W49）和Ct（Z98、Z56、Z50）。所有品种的幼苗在中国拉萨的西藏农牧科学院温室中生长，控制生长条件为26°C

三种类型的青稞，Ct、Tt和St，在冻害处理下的耐寒性分别为高、中和低

在-5°C的低温处理下，三组青稞品种在不同时间点（0、1、3、5和7天）进行了生理参数测量，以评估寒冷胁迫对它们的影响。在冻害处理之前，三组之间的生理参数没有显著差异。处理后，随着时间的推移，抗氧化酶活性（POD、SOD和CAT）和抗超氧阴离子能力等性状出现了差异

讨论

青稞原产于青藏高原，经常面临极端温度、紫外线辐射和干旱等非生物胁迫（Zeng等人，2020年；Xu等人，2021年；Xu等人，2023年）。由于其生长周期经常处于0°C以下的温度环境中，因此适应极低温度的能力是其生长和海拔分布的关键因素。在寒冷胁迫下，植物细胞膜的流动性降低，因为脂质成分会转变为凝胶状态

结论

作为唯一能在4000米以上高海拔地区生长的作物，青稞表现出显著的耐寒性。本研究全面分析了三种不同耐寒性青稞类型在-5°C胁迫下的生理和代谢反应。结果表明，耐寒性强的Ct品种在冻害条件下具有更高的抗氧化酶活性，并且电解质泄漏和丙二醛含量最低

CRediT作者贡献声明

Naoxue Fei：数据验证、数据管理。Congping Xu：初稿撰写、监督、资金筹集。Haizhen Yang：审稿与编辑、监督、资金筹集。Xingquan Zeng：审稿与编辑、资源提供、方法学设计、实验设计、资金筹集。Yangna Si：数据分析、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了以下资金来源的支持：财政专项基金（项目编号：U20A2026、32401784、2017CZZX001、2017CZZX002、XZNKY-2018-C-021、XZ202402ZY0011），以及农业农村部和中国农业科学院的农业研究系统（CARS-05–01A-08），和武汉理工大学的科研经费（2023RZ016和2023Y19）。

附加信息

补充信息随本文提供。如需联系作者或索取材料，请联系H.Y.或X.Z.