在植物世界中，開花生熱（Floral thermogenesis）是一種獨(dú)特且精細(xì)調(diào)控的生理活動，能夠在特定的生殖發(fā)育階段，通過能量代謝產(chǎn)生大量熱量，從而為吸引傳粉昆蟲、保護(hù)花器官免受環(huán)境脅迫提供重要保障。盡管已有研究揭示了能量代謝與開花生熱之間的關(guān)聯(lián)，但生熱植物在高能量需求狀態(tài)下是否伴隨代謝模式的系統(tǒng)性重塑，仍缺乏深入解析。

近日，北京林業(yè)大學(xué)王若涵教授團(tuán)隊(duì)在國際植物學(xué)權(quán)威期刊The Plant Journal在線發(fā)表了題為A combined transcriptomic and metabolomic analysis reveals the metabolic reprogramming of developing thermogenic tissues inNelumbo nucifera的研究論文。該研究首次系統(tǒng)整合紅外熱成像、轉(zhuǎn)錄組與代謝組分析，全面描繪了荷花（Nelumbo nucifera）花托在生熱過程中的代謝重編程圖譜，揭示了能量代謝途徑、揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）及次生代謝物的動態(tài)變化圖譜，拓展了人們對植物生熱機(jī)制及其生態(tài)適應(yīng)策略的理解。

荷花生熱組織的代謝動態(tài)特征

研究通過紅外成像技術(shù)明確界定了荷花花托生熱的關(guān)鍵發(fā)育階段，并發(fā)現(xiàn)生熱啟動期（S1）與生熱高峰期（S2）之間，花托與外花瓣間的溫差最大。結(jié)合時間序列轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了能量代謝終端氧化酶系統(tǒng)的動態(tài)變化：在生熱高峰期（S2），替代氧化酶（AOX）和解偶聯(lián)蛋白（UCP）維持高水平表達(dá)，而細(xì)胞色素氧化酶（COX）表達(dá)則明顯下降，提示花托呼吸通量可能偏向以熱釋放為主的旁路呼吸。同時，脂肪酸代謝產(chǎn)物在生熱高峰期（S2）的積累增強(qiáng)，進(jìn)一步暗示脂肪酸可能為生熱提供重要底物來源。

代謝組分析表明，生熱前期（S0）花托中氨基酸與核苷酸大量積累。而在生熱高峰期（S2），揮發(fā)性有機(jī)物，尤其是以萜類為主的成分顯著上升，強(qiáng)化了花香釋放，有助于提升對傳粉昆蟲的吸引力。與此相對，花托中非揮發(fā)性次生代謝產(chǎn)物（如酚類、黃酮和縮合單寧）在生熱高峰期（S2）呈下降趨勢，隨后在生熱衰退期（S3）及生熱后期（S4）重新積累。研究進(jìn)一步結(jié)合拉曼光譜成像觀察到，花托細(xì)胞壁木質(zhì)化水平自生熱衰退期（S3）起逐步增強(qiáng)，與花器官成熟過程緊密相關(guān)。

生熱與次生代謝之間的相互調(diào)控

通過關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)錄組與代謝組數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)能量代謝與次生代謝在生熱過程中存在顯著的拮抗模式。生熱相關(guān)基因（如AOX與UCP）表達(dá)水平的升高，與苯丙烷代謝及黃酮合成途徑關(guān)鍵基因的表達(dá)下調(diào)呈鮮明對比；而萜類骨架生物合成相關(guān)基因則在生熱階段被上調(diào)。這種代謝流重定向不僅滿足了熱量釋放對底物與能量的巨大需求，還可能通過調(diào)整花器官內(nèi)化學(xué)環(huán)境，優(yōu)化對傳粉者的吸引與適應(yīng)，體現(xiàn)了植物生熱在繁殖成功過程中對能量與資源分配的精細(xì)調(diào)控（圖1）。

圖1. 荷花花托在生熱過程中的代謝重編程景觀

該研究系統(tǒng)揭示了荷花花托在生熱過程中的代謝重編程景觀，強(qiáng)調(diào)了能量代謝、初級代謝與次生代謝之間的協(xié)同調(diào)控關(guān)系，不僅深化了對植物生熱生理基礎(chǔ)的理解，也為探究植物如何在高能量需求狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)配置提供了新思路。未來，相關(guān)研究可進(jìn)一步擴(kuò)展至其他生熱植物，并深入探索不同物種中代謝重塑的多樣性與適應(yīng)性演化機(jī)制，為理解植物-環(huán)境互作及植物生態(tài)適應(yīng)提供更廣闊的科學(xué)依據(jù)。

北京林業(yè)大學(xué)博士研究生于淼、王思?xì)J為共同第一作者，王若涵教授為通訊作者。研究得到國家自然科學(xué)基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)支持。

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

作者簡介：

通訊作者：王若涵，博士，北京林業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，中央高校"林木種質(zhì)資源創(chuàng)新與良種選育"優(yōu)秀青年團(tuán)隊(duì)骨干。致力于植物生長發(fā)育及能量代謝調(diào)控，林木種質(zhì)資源篩選保護(hù)及應(yīng)用等方面研究，主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，國家“十三五”及“十四五”重點(diǎn)研發(fā)子課題及國家林草局課題等國家級項(xiàng)目，撰寫國家級規(guī)劃教材及著作3部，獲批國家發(fā)明專利6項(xiàng)，近年來，以第一或通訊作者在《Plant Cell & Environment》、《Plant Physiology》、《Trees-Structure & function》、《Flora》及《中國科學(xué)-生命科學(xué)》、《科學(xué)通報(bào)》等國內(nèi)外權(quán)威期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇。創(chuàng)制木蘭科樹種種質(zhì)高效篩選及繁育技術(shù)，在北京、廣東、貴州、河北等省市數(shù)家企業(yè)推廣應(yīng)用，取得了顯著的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益，研究成果獲北京市優(yōu)秀青年科技論文一等獎等榮譽(yù)稱號，入選北京高校“青年英才計(jì)劃”。