近日，中心齐红岩教授、刘义玲教授团队在Environmental and Experimental Botany在线发表了题为“Short-term elevated rhizosphere CO2 enhances antioxidant capacity in facility melon seedlings by promoting flavonoids accumulation”的研究论文。该研究阐明了短期根际高CO2促进设施甜瓜生长的生理与分子机制：短期根际高CO2通过激活三羧酸循环与苯丙烷代谢途径，驱动碳向黄酮类化合物分配，进而通过积累类黄酮缓解活性氧（ROS）积累，最终促进幼苗生长。本研究将帮助我们更好地理解设施甜瓜幼苗如何应对复杂的根际环境变化，并为优化不利根际环境条件的调控提供理论基础。

        研究团队以薄皮甜瓜‘玉美人’为试材，采用根际CO2自动处理系统，设置0.5%与1%两种浓度进行短期根际高CO2处理。通过整合生理指标分析与非靶向代谢流技术，系统揭示了设施甜瓜对短期根际高CO2的响应机制。

        研究者发现短期根际高CO2处理显著促进甜瓜幼苗生长。短期根际高CO2可调节设施甜瓜根系与叶片中ROS水平，使其维持于信号功能范围而未引发显著氧化损伤，激活植株短期适应性生理响应，促进其生长。

        13C同位素标记实验显示，13C积累量在标记后48小时达到峰值，且处理组（1% CO2）的13C吸收活性与分配量均显著高于对照。同化碳优先向叶片转运，表明叶片是根际碳后续代谢的主要场所。非靶向代谢流分析显示，根际13CO2同化后根与叶的核心代谢物相同，其中脂质代谢、有机酸代谢及苯丙烷代谢呈现协同效应。代谢通路富集分析进一步表明，三羧酸循环（TCA）和苯丙烷生物合成是碳流重新分配的关键枢纽。

短期根际高CO2提高了有机酸（如草酰乙酸、柠檬酸和苹果酸）及苯丙烷代谢产物（莽草酸、苯丙氨酸、总酚与类黄酮）的含量。1%根际CO2下积累尤为显著，表明额外碳源输入可能造成TCA中间产物积累，进而驱动碳流向苯丙烷途径并促进类黄酮合成。

        进一步研究发现，短期根际高CO2上调了TCA循环中CmPEPC、CmMDH、CmPEPCK和CmCS，下调了CmIDH和CmACO。进而激活负反馈机制， CmPEPCK上调表达，促进碳再分配。导致类黄酮代谢通路基因（CmSDH、CmPAL和CmCHS）上调表达，促进类黄酮的积累（图1）。表明短期根际高CO2通过转录调控促进碳从有机酸向类黄酮分流，增强设施甜瓜幼苗适应性。

图1 短期根际高CO2诱导设施甜瓜类黄酮升高的机制

        短期根际高CO2为设施甜瓜提供了额外的碳源， TCA循环中的关键基因（CmPEPC、CmMDH、CmPEPCK和CmCS）显著上调，导致植株体内有机酸过量积累。一方面，激活负反馈调节机制，CmIDH和CmACO下调表达，延缓了TCA循环过程；另一方面，过量积累的有机酸激活CmPEPCK，显著提升苯丙烷代谢的底物。苯丙烷代谢中关键基因（CmSDH、CmPAL和CmCHS）表达显著增强，促进了类黄酮的积累。甜瓜幼苗内源性抗氧化防御系统被显著增强，进而促进植株生长。本研究结果对帮助我们挖掘植物利用根际CO2的潜力，缓解根际土壤中CO2浓度过高的危害具有重要的理论意义。

        硕士研究生王星林为论文的第一作者，刘义玲教授为论文的通讯作者，齐红岩教授为论文的共同作者。该成果得到了国家重点科技发展计划项目（2023YFD2300700）、国家自然科学基金项目（31101582）、国家现代农业产业技术体系项目（CAS-25）的资助。（李振涛）

审核人：王峰

编辑：王雪