北京林业大学王若涵团队解析植物生热代谢重编程图谱

在植物世界中，开花生热（Floral thermogenesis）是一种独特且精细调控的生理活动，能够在特定的生殖发育阶段，通过能量代谢产生大量热量，从而为吸引传粉昆虫、保护花器官免受环境胁迫提供重要保障。尽管已有研究揭示了能量代谢与开花生热之间的关联，但生热植物在高能量需求状态下是否伴随代谢模式的系统性重塑，仍缺乏深入解析。

近日，北京林业大学王若涵教授团队在国际植物学权威期刊The Plant Journal在线发表了题为A combined transcriptomic and metabolomic analysis reveals the metabolic reprogramming of developing thermogenic tissues inNelumbo nucifera的研究论文。该研究首次系统整合红外热成像、转录组与代谢组分析，全面描绘了荷花（Nelumbo nucifera）花托在生热过程中的代谢重编程图谱，揭示了能量代谢途径、挥发性有机化合物（VOCs）及次生代谢物的动态变化图谱，拓展了人们对植物生热机制及其生态适应策略的理解。

荷花生热组织的代谢动态特征

研究通过红外成像技术明确界定了荷花花托生热的关键发育阶段，并发现生热启动期（S1）与生热高峰期（S2）之间，花托与外花瓣间的温差最大。结合时间序列转录组数据，研究团队进一步揭示了能量代谢终端氧化酶系统的动态变化：在生热高峰期（S2），替代氧化酶（AOX）和解偶联蛋白（UCP）维持高水平表达，而细胞色素氧化酶（COX）表达则明显下降，提示花托呼吸通量可能偏向以热释放为主的旁路呼吸。同时，脂肪酸代谢产物在生热高峰期（S2）的积累增强，进一步暗示脂肪酸可能为生热提供重要底物来源。

代谢组分析表明，生热前期（S0）花托中氨基酸与核苷酸大量积累。而在生热高峰期（S2），挥发性有机物，尤其是以萜类为主的成分显著上升，强化了花香释放，有助于提升对传粉昆虫的吸引力。与此相对，花托中非挥发性次生代谢产物（如酚类、黄酮和缩合单宁）在生热高峰期（S2）呈下降趋势，随后在生热衰退期（S3）及生热后期（S4）重新积累。研究进一步结合拉曼光谱成像观察到，花托细胞壁木质化水平自生热衰退期（S3）起逐步增强，与花器官成熟过程紧密相关。

生热与次生代谢之间的相互调控

通过关联转录组与代谢组数据，研究发现能量代谢与次生代谢在生热过程中存在显著的拮抗模式。生热相关基因（如AOX与UCP）表达水平的升高，与苯丙烷代谢及黄酮合成途径关键基因的表达下调呈鲜明对比；而萜类骨架生物合成相关基因则在生热阶段被上调。这种代谢流重定向不仅满足了热量释放对底物与能量的巨大需求，还可能通过调整花器官内化学环境，优化对传粉者的吸引与适应，体现了植物生热在繁殖成功过程中对能量与资源分配的精细调控（图1）。

图1. 荷花花托在生热过程中的代谢重编程景观

该研究系统揭示了荷花花托在生热过程中的代谢重编程景观，强调了能量代谢、初级代谢与次生代谢之间的协同调控关系，不仅深化了对植物生热生理基础的理解，也为探究植物如何在高能量需求状态下实现资源最优配置提供了新思路。未来，相关研究可进一步扩展至其他生热植物，并深入探索不同物种中代谢重塑的多样性与适应性演化机制，为理解植物-环境互作及植物生态适应提供更广阔的科学依据。

北京林业大学博士研究生于淼、王思钦为共同第一作者，王若涵教授为通讯作者。研究得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费支持。

http://dx.doi.org/10.1111/tpj.70193

作者简介：

通讯作者：王若涵，博士，北京林业大学教授，博士生导师，中央高校"林木种质资源创新与良种选育"优秀青年团队骨干。致力于植物生长发育及能量代谢调控，林木种质资源筛选保护及应用等方面研究，主持国家自然科学基金项目，国家“十三五”及“十四五”重点研发子课题及国家林草局课题等国家级项目，撰写国家级规划教材及著作3部，获批国家发明专利6项，近年来，以第一或通讯作者在《Plant Cell & Environment》、《Plant Physiology》、《Trees-Structure & function》、《Flora》及《中国科学-生命科学》、《科学通报》等国内外权威期刊发表学术论文30余篇。创制木兰科树种种质高效筛选及繁育技术，在北京、广东、贵州、河北等省市数家企业推广应用，取得了显著的生态、经济和社会效益，研究成果获北京市优秀青年科技论文一等奖等荣誉称号，入选北京高校“青年英才计划”。