木豆(Cajanus cajan)是六大食用豆类中唯一的木本食用豆类作物,全球年产量约为449万吨,被广泛种植于世界热带与亚热带地区(FAO,2016)。木豆用途广泛,青籽粒可作为蔬菜;干熟籽粒可食用;叶片可作为饲料、绿肥,并具有药用价值。由于木豆的根系发达、固氮效率高,其耐干旱和耐贫瘠能力强,也用作植被恢复、水土保持、荒山绿化的先锋作物。已有的研究表明,木豆对缺磷酸性土壤具有较强适应能力,但其适应低磷胁迫的潜在机制仍不清楚。本研究以木豆ICPH2740为材料,利用代谢组学和转录组学技术,分析木豆根系对低磷胁迫的响应机制,主要研究结果如下:(1)低磷处理导致木豆的植株干重和全磷含量显著降低,但根系的抗氧化酶类(超氧化物歧化酶、过氧化物酶)活性和抗氧化物质(抗坏血酸、总酚、总类黄酮)含量显著提高,表明木豆通过提高抗氧化能力来抵抗低磷胁迫对根系的损伤。(2)木豆根系代谢组学分析共鉴定14类共558个代谢产物,其中正常供磷与低磷处理差异代谢物166个,主要属于核苷酸及其衍生物、脂质、氨基酸及其衍生物。(3)低磷胁迫导致木豆根系的含磷代谢物含量显著降低,包括20种磷脂质[即:13种溶血磷脂酰胆碱(LysoPC)、5种溶血磷脂酰乙醇胺(LysoPE)、甘油-3-磷酸胆碱、2-氨基乙基磷酸酯];9种含磷的核苷酸及其衍生物(即:腺苷-3’-5’-环单磷酸、鸟苷3’,5’-环一磷酸、尿苷5’-二磷酸葡萄糖、黄素腺嘌呤二核苷酸、尿甘5’-二磷酸葡萄糖二钠盐、5-尿嘧啶核苷酸、尿苷二磷酸葡萄糖、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸、腺苷5’-单磷酸);4种磷酸化糖(即:葡萄糖-6-磷酸、葡萄糖-1-磷酸、果糖-6-磷酸、核酮糖,5-磷酸)。其中甘油-3-磷酸胆碱、腺苷-3’-5’-环单磷酸和鸟苷3+,5’-环一磷酸在低磷胁迫下的相对含量显著降低20倍以上。(4)在木豆根系的转录组分析中鉴定15类共146个磷酯酶编码基因,其中紫色酸性磷酸酶(CcPAP)家族成员最多,达26个基因,且其中14个受低磷诱导上调表达。此外,参与磷脂质降解的相关磷酯酶基因家族:磷脂酶C(CcPLC)、磷脂酶D(CcPLD)、磷脂酸磷酸酶(CcPAH)、磷酸乙醇胺/胆碱磷酸酶(CcPECP)和甘油磷酸二酯酶(CcGDPD)分别有4、2、1、3和2个基因在低磷胁迫下增加表达;参与核苷酸降解的相关磷酯酶基因家族:核糖核酸酶T2(CcRNS)、核酸外切酶和核酸内切酶分别鉴定到2、4和3个受低磷诱导上调表达的编码基因;参与磷酸化糖类降解的相关磷酯酶基因家族:磷酸糖磷酸酶(CcSgpp)、蔗糖-6-磷酸磷酸酶(CcSPP)和可溶性无机焦磷酸酶(CcPPase)分别有1、1和2个基因受低磷诱导上调表达。综上所述,当遭受低磷逆境时,木豆通过增强磷酯酶相关编码基因的转录表达水平,促进体内含磷代谢物的再活化利用,从而提高木豆对低磷胁迫的适应能力。