Forskjeller i rotekssudater av Haloxylon Ammodendron på tvers av bestandsalder og spiringsresponsen til Cistanche Deserticola-frø

 

Abstrakt

For å avklare hvordan roteksudater avHaloxylon ammodendron(saxaul) varierer på tvers av standalder og hvordanCistanche deserticola(Cistanche) frøspiring reagerer på disse forskjellene, vi undersøkte saxualbevoksninger på 1, 3 og 6 år gamle i Alar-regionen, Xinjiang, Kina. Rotekssudatprøver ble samlet inn og analysert ved bruk av LC-MS-basert umålrettet metabolomikk for å karakterisere komposisjonsforskjeller. Parallelt,Cistanchefrø ble behandlet med rotekssudater fra forskjellige stand-age grupper, og frøspiringshastigheter ble bestemt.

Resultatene viste signifikante forskjeller iCistanchespirehastighet blant behandlinger. Den 3-årige ekssudatbehandlingen ga den høyeste spirehastigheten, betydelig høyere enn behandlinger med ekssudater fra 1- og 6-års bestander, mens det ikke ble påvist noen signifikant forskjell mellom 1- og 6-års behandlinger. Metabolomikk-analyse viste at generelle metabolske profiler av saksualrotekssudater klarte å skille mellom bestandsalder, og det største antallet differensielle metabolitter forekom mellom 3-års og 1-års bestander. Differensielle metabolitter ble hovedsakelig beriket i sukker, vitamin B6-relaterte molekyler, flavonoider/fenoler og lipid-relaterte molekyler. De viktigste veiforskjellene involverte metabolisme av alfa-linolensyre, vitamin B6-metabolisme og flavonoidrelaterte veier. Ytterligere screening ved å integrere spiringsfenotyper indikerte at representative differensielle trekk forenlig med høyere spiring også var konsentrert i disse metabolittkategoriene og -veiene.

Disse funnene indikerer en klar kjemisk differensiering av saksualroteksudater mellom bestandsalder, og antyder at 3 år gamle saksaulbestander kan utvikle en eksudatkjemisk bakgrunn som er mer gunstig forCistanchefrøspiring. Resultatene gir et teoretisk grunnlag for å utvikle og optimalisereCistancheinokulasjonsteknikker.

Nøkkelord: Haloxylon ammodendron; Cistanche deserticola; roteksudater; metabolomics; stående aldersgradient

Introduksjon

Restaurering av tørre ørkenøkosystemer er ofte avhengig av etablering og fortsatt utvidelse av nøkkelbusker [1–2].Haloxylon ammodendroner en typisk sandfikserende treart i Nordvest-Kinas ørkenregioner og spiller en enestående rolle i vindfang og sandfiksering, overflatestabilisering og vedlikehold av vegetasjonsstruktur [3–4]. Rundt forvaltning og økologisk funksjonsforbedring av saxaulplantasjer har det gradvis dannet seg en omfattende vei for "økologisk restaurering–skogforvaltning–ressursutnyttelse" [5–7]. Blant disse tilnærmingene, inokuleringCistanche deserticolaunder saxaul-plantasjer betraktes som en representativ utviklingsmodell som balanserer økologiske og industrielle fordeler [8–9].

 

Cistanche-dyrkingsbase i Xinjiang, Kina

 

Cistanche deserticolahar betydelig økonomisk verdi og har stimulert etterspørselen etter kunstig dyrking [10–11]. I storskala produksjon svinger imidlertid suksessraten for parasittisk inokulering sterkt, noe som påvirker stabiliteten og skalerbarheten til denne modellen [12].

I saxaul-Cistanche-systemet er frøspiring og tidlig vertsgjenkjenning kritiske trinn som avgjør om et parasittisk forhold kan etableres [12-13].Cistanchefrøene er ekstremt små, og spiringsinitiering avhenger sterkt av stimulering fra vertsroteksudater [14–15]. Etter spiring må frøplanter lokalisere vertsrøtter innen kort tid og gå inn i haustoriumdannelsesprosessen [16]. Derfor reflekteres intensiteten og sammensetningen av vertssignaler direkte i spiringseffektivitet og påfølgende suksessrater for parasittisme [16–17]. For obligate parasittiske planter kan disse signalene også danne en tid-rom "kombinasjon av forhold" som er mer sannsynlig å utløse spiring, dvs. et såkalt spiringsvindu [18–19].

Saxaul-rotekssudater inneholder flere klasser av forbindelser som kan delta i vertsgjenkjennings- og induksjonsprosesser, for eksempel kinoner, organiske syrer og hormonrelaterte molekyler. Sammensetningen deres er påvirket av både planteutviklingsstadiet og miljøbakgrunn [20–21]. Tidligere studier tyder på at roteksudater varierer dynamisk på tvers av årstider eller vekststadier, noe som ytterligere kan føre til forskjeller iCistanchespirehastighet, haustoriumdannelseseffektivitet og parasittetablering [22]. Fra et plantasjeforvaltningsperspektiv tilsvarer en stand-age gradient ofte utvikling av vertsrotsystemer, akkumulering av karbontilførsler og stabilisering av rhizosfærens mikromiljø. Følgelig kan den ekssudatkjemiske bakgrunnen gjennomgå systematiske justeringer [23–26].

Imidlertid er bevis fortsatt utilstrekkelig for hvordan forskjeller i stand-alder omformer det kjemiske spekteret av saksaulroteksudater og om slike endringer kan gi kvantifiserbare spiringsresponser. Dette gapet begrenser også direkte kvantitativ veiledning for valg av vertsstandsalder og planlegging av nøkkeladministrasjonsperioder.

Metabolomikk kan avsløre endringer i rot-eksudatmetabolittprofiler. Multivariate statistiske metoder som hovedkomponentanalyse (PCA) og ortogonal partiell minste kvadraters diskriminantanalyse (OPLS-DA) kan brukes til å skille grupper og identifisere differensielle metabolitter [27–28]. Ytterligere veikommentarer og berikelsesanalyse hjelper til med å tolke retningen til biokjemiske endringer [29–30]. Ved å synkront sammenligne metabolomikk-utganger med funksjonelle fenotyper (f.eks frøspiringshastighet), kan kjemiske forskjeller i ekssudater knyttes til målbare resultater - "om spiring fremmes, og i hvilken grad" - noe som gir mer direkte støtte for ledelses- og søknadsbeslutninger [31–33].

Derfor fokuserte denne studien på saxaul-stander i forskjellige aldre i Alar-regionen i utkanten av Taklamakan-ørkenen. Vi samlet inn rotekssudater fra forskjellige bestandsalder for LC–MS umålrettet metabolomikkprofilering, og utførteCistanchefrøspiringsanalyser ved bruk av disse eksudatene som behandlinger. Vi undersøkte aldersdrevne endringer i roteksudatmetabolittprofiler (total separasjon, differensiell metabolittscreening og anrikning av veier) og matchet dem med forskjeller i spirehastighet. Studien gir kvantitative referanser for forbedringCistancheinokuleringssuksess og tilbyr empirisk metabolomikk-bevis for kjemiske interaksjoner mellom verts- og parasittiske planter i tørre områder.

 

1 Materialer og metoder

1.1 Studieområde

Studieområdet ligger i overgangssonen mellom ørken og oase i Alar City, på den nordlige kanten av Taklamakan-ørkenen, Xinjiang, Kina. Regionen har et typisk varmt temperert, ekstremt tørt klima, med sterk vind-sandaktivitet, lite nedbør og intens fordampning. Årlig gjennomsnittlig nedbør er 40,1–82,5 mm, mens årlig gjennomsnittlig fordampning er 1876,6–2558,9 mm. Lys- og varmeressurser er rikelig, og daglige temperaturforskjeller er store. Overflatevegetasjonen er dominert av ørkenbusker og sparsomme urter. Saxaul er den viktigste konstruktive arten som brukes til lokale vindsperre og sandfikseringsbelter, og regionen er også et viktig produksjonsområde for saxaul-inokulerteCistanche.

1.2 Prøveinnsamling og behandling

Prøvetaking ble utført i april 2025 (vår) i Alar-regionen. Rotekssudater og synkrone jordprøver ble samlet fra saxaul-bestander i alderen 1, 3 og 6 år.Cistanchefrøspiringseksperimenter ble utført etter prøvetaking.

1-, 3- og 6-års behandlinger i stand-age ble utpekt som henholdsvis AO, AT og AS. Hver behandling inkluderte tre biologiske replikater, merket AO1–AO3, AT1–AT3 og AS1–AS3. 1-års standene representerer det tidlige etableringsstadiet; 3-årige bestander representerer et kraftig vekststadium med aktive rhizosfæreprosesser; og 6-års stands representerer en relativt stabil scene. Basert på forskjeller i vertsutviklingsstadier, sammenlignet vi kjemisk variasjon av rotekssudat på tvers av bestandsalder og dets forhold tilCistanchefrøspiring.

1.2.1 Innsamling av rotekssudat

Rotekssudater ble samlet ved bruk av en in situ feltekstraksjonsmetode. I hvert stand-age plot ble saxaul-individer med lignende vekststatus og ingen åpenbare skadedyr eller sykdommer valgt. Det ble tatt prøver av tre planter per bestandsalder som biologiske replikater. Røtter ble forsiktig gravd ut rundt plantebasen, noe som minimerte mekanisk skade. Vedheftende jord ble forsiktig fjernet; røttene ble skylt med avionisert vann; deretter ble røttene pakket og begravet på nytt in situ for en 24 timers forbehandling.

Etter forbehandling ble røttene fjernet og forsiktig skylt igjen med avionisert vann. Rotsegmenter ble pakket inn med fuktet filterpapir for å opprettholde fuktigheten, plassert i 50 ml sentrifugerør, forseglet med parafilm og begravd på nytt in situ. Etter 24 timer ble rotsegmentene pakket inn med filterpapir samlet, holdt på is og transportert til laboratoriet.

I laboratoriet ble 100 ml avionisert vann tilsatt, og prøvene ble ristet i 30 minutter for ekstraksjon. Ekstraktet ble vakuumfiltrert, konsentrert under redusert trykk og lagret ved -80 grader for påfølgende LC-MS umålrettede metabolomiske analyser. De samme ekstraktene ble også brukt for frøbehandlingsanalyser.

1.2.2 Jordprøvetaking og bestemmelse av jords fysisk-kjemiske egenskaper

Jordprøver ble samlet inn samtidig med roteksudater. Prøver ble lufttørket naturlig, urenheter fjernet og ført gjennom en 2 mm sikt for fysisk-kjemiske målinger inkludert pH, totalt nitrogen (TN), totalt fosfor (TP), totalt kalium (TK), alkalihydrolyserbart nitrogen (AN), tilgjengelig fosfor (AP), tilgjengelig kalium (AK) og jordorganisk materiale (SOM). Detaljerte metoder er gitt i tabell 1.

Tabell 1. Jords fysiokjemiske indikatorer og analysemetoder

Indikator	Forkortelse	Analytisk metode
pH	-	Potensiometrisk metode
Total nitrogen	TN	Kjeldahl-metoden
Totalt fosfor	TP	NaOH fusjon - molybden antimon kolorimetri (spektrofotometri)
Totalt kalium	TK	NaOH fusjonsmetode
Alkali-hydrolyserbart nitrogen	AN	Alkalisk diffusjonsmetode
Tilgjengelig fosfor	AP	Spektrofotometrisk metode
Tilgjengelig kalium	AK	Ammoniumacetat ekstraksjonsmetode
Jordsmonnet organisk materiale	SOM	Kaliumdikromatoksidasjonsmetode

1.3 LC–MS umålrettet metabolomikk og dataforbehandling

Rotekssudatprøver ble analysert ved bruk av ultrahøyytelses væskekromatografi – høyoppløselig massespektrometri (UHPLC – HRMS) i både positiv og negativ elektrosprayioniseringsmodus. Rådata ble utsatt for toppekstraksjon, retensjonstidskorreksjon, toppjustering, håndtering av manglende verdier og normalisering før nedstrømsanalyser.

Kvalitetskontrollprøver og blanke kontroller ble brukt for å fjerne bakgrunnsinterferenstopper og funksjoner med dårlig reproduserbarhet for å forbedre datastabilitet og sammenlignbarhet. Metabolittidentifikasjon og annotering var hovedsakelig basert på nøyaktig masse, retensjonstid og MS/MS-fragmenteringsmønstre, matchet til HMDB, METLIN, MassBank og kartlagt til KEGG for baneanalyse. Annoteringsresultater ble filtrert etter samsvarende konfidens, og kjemisk klassekategorisering og oppsummering på veinivå ble utført.

1.4 CistancheFrøspiringseksperiment

1.4.1 Frøforbehandling

SamletCistanchefrø ble plassert ved 30 grader i en inkubator med konstant temperatur i 1 time. Frøbelegg ble fjernet, og frø ble overflatesterilisert i 2% natriumhypokloritt i 15 minutter, skylt tre ganger med sterilt destillert vann og tørket på sterilt filterpapir.

1.4.2 Pre-eksperiment og bestemmelse av basale forspiringsbetingelser

For å sikre sammenlignbarhet mellom behandlinger med ekssudater fra ulike bestandsalder, ble det utført et forhåndseksperiment for å screene tilleggsbetingelsene for gibberellin og fluridon. Basert på pre-testresultater, ble en kombinasjon med bedre spiringsytelse og stabil repeterbarhet valgt som basal forspiringsbetingelse: tilsetning av 1 mL 1 g·L−1^{-1}−1 gibberellin og 1 mL 10 mg·L−1^{-1}−1 fluridon.

1.4.3 Behandlinger med rotekssudater fra forskjellige bestandsaldre

Under den enhetlige basale spiringsbetingelsen ble like volumer av roteksudatprøver fra 1-, 3- og 6-års saxaul-bevoksninger tilsatt for å sammenligneCistanchefrøspiringsresponser. Denne studien fokuserte på behandlingseffekter av ekssudat fra ulike bestandsalder og inkluderte ikke en ekssudatkonsentrasjonsgradient.

For hver behandling ble 50 forbehandlede frø plassert i petriskåler ved bruk av filterpapirmetoden og inkubert ved 25 grader i mørket. Spirehastighet ble registrert etter 10 dager. En radikel (kimrør) lengde > 1 mm ble brukt som spirekriterium. Hver behandling hadde tre replikater.

1.5 Statistisk analyse

Etter forbehandling og normalisering ble metabolomikkdata analysert ved hjelp av hierarkisk klyngeanalyse, PCA og OPLS-DA for å evaluere generelle forskjeller mellom standsalder. Differensielle metabolitter ble screenet ved bruk av VIP > 1 og P < 0,05. Venn-diagrammer, vulkanplott, grupperte varmekart og KEGG-baneanrikningsanalyser ble brukt til å tolke store differensielle metabolske funksjoner.

Cistanchefrøspiringshastigheter ble analysert ved enveis ANOVA; post hoc sammenligninger ble utført ved bruk av Tukeys test. Signifikansnivået ble satt til =0.05\\alpha=0.05 =0.05.

 

2 Resultater og analyse

2.1 Jords fysisk-kjemiske egenskaper

Jords fysiokjemiske indikatorer viste en viss variasjon mellom ulike bestandsalder, men den totale endringen var begrenset (tabell 2). Jordsmonnet var alkalisk i alle tomter, med pH-verdi fra 8,35 til 8,83. Innholdet av totalt nitrogen, totalt fosfor, totalt kalium og organisk materiale var generelt lavt. 3-årsstandene hadde relativt høyere TN, TK, SOM og AK; 6-årsstandene hadde litt høyere TP og AP; og 1-års standene hadde relativt høyere AN. Generelt svingte jordbakgrunnen noe på tvers av bestandsalder uten en konsistent retningstrend. Derfor fokuserte påfølgende analyser hovedsakelig på rot-eksudatforskjeller og deres korrespondanse medCistanchefrøspiringsresponser.

Tabell 2. Jords fysisk-kjemiske egenskaper

Behandling	pH	TN (g·kg⁻¹)	TP (g·kg⁻¹)	TK (g·kg⁻¹)	AN (mg·kg⁻¹)	AP (mg·kg⁻¹)	AK (mg·kg⁻¹)	SOM (g·kg⁻¹)
AO	8.83	0.129	0.591	6.76	11.672	7.171	159.783	2.660
PÅ	8.35	0.165	0.604	10.69	9.114	7.381	377.900	3.186
SOM	8.82	0.101	0.649	7.08	10.697	8.086	185.962	2.547

Merknader:AO=1-årstand; AT=3-års stand; AS=6-års stand.

 

2.2 Effekter av roteksudater fra forskjellige standaldre påCistancheFrøspiring

Cistanchefrøspiringshastigheter var signifikant forskjellig mellom behandlinger med roteksudater fra forskjellige bestandsalder (figur 1). Den 3-årige ekssudatbehandlingen (AT) ga den høyeste spirehastigheten på 84,66 % ± 1,15 %. 1-års (AO) og 6-års (AS) behandlinger ga henholdsvis 80,89 % ± 2,04 % og 80,67 % ± 0,67 %. Enveis ANOVA indikerte en signifikant forskjell mellom behandlinger (P=0.022). Tukeys post hoc-test viste at AT var signifikant høyere enn AO (P=0.038) og AS (P=0.030), mens AO og AS ikke skilte seg signifikant (P=0.980).

Fig. 1 Forskjeller i spirehastighet for Cistanche deserticola-frø under roteksudatbehandlinger fra Haloxylon ammodendron-bestander i forskjellige aldre

 

Disse resultatene tyder på at i løpet av vårvindusperioden tilsvarer roteksudater fra ulike bestandsalder klare forskjeller iCistanchefrøspiringsresponser, og ekssudater fra 3-års bestander viser sterkere spirefremmende potensial. For å forklare disse forskjellene ytterligere, analyserte vi deretter samlet metabolittprofilseparasjon og differensielle metabolske funksjoner.

2.3 Generelle forskjeller i roteksudater på tvers av standsalder

2.3.1 Generell separasjon av rot-eksudatmetabolske profiler

Metabolske profiler av roteksudater var tydelig differensiert mellom bestandsalder. Det globale varmekartet (Figur 2) viste at de fleste prøvene innenfor samme bestandsalder samlet seg på samme gren, noe som indikerer god konsistens innenfor gruppen. Prøver fra ulike bestandsaldre viste relativt klare grupperingsmønstre, noe som tyder på at ekssudatsammensetningen ble omorganisert med bestandsalder.

PCA-resultater (figur 3) indikerte at de to første hovedkomponentene forklarte 46,5 % av total varians; PC1 og PC2 forklarte henholdsvis 32,1 % og 14,4 %. Prøver fra ulike standaldre viste tydelige fordelinger i ordinasjonsrommet. Spesielt viste 1-årsprøver en generell distribusjonstrend forskjellig fra 3- og 6-årsprøver, noe som indikerer strukturell differensiering i samlet ekssudatsammensetning med bestandsalder. Selv om en viss variasjon innenfor gruppen gjensto, var den stand-aldersrelaterte separasjonstrenden tydelig.

 

2.3.2 Diskriminering mellom grupper

For ytterligere å sammenligne forskjeller mellom bestandsalder, ble parvise sammenligninger (AO vs. AT, AO vs. AS, AT vs. AS) utført basert på negative-ion-mode-data (figur 4). Alle tre sammenligningene viste tydelig separasjon og god klynging av biologiske replikater, noe som viste stabile metabolske forskjeller mellom bestandsalder.

Alle OPLS-DA-modeller viste god tilpasning og prediktiv ytelse, med R2Y=0.998–1.000 og Q2=0.663–0.873, noe som indikerer robust forskjellsbehandling av rotekssudatprøver blant bestandsalder. Separasjonen var mest uttalt mellom AS og AO, noe som tyder på den største samlede komposisjonsforskjellen mellom 1- og 6-års bestandseksudater. AT viste også stabil separasjon fra AO og AS, noe som indikerer at 3-års ekssudater allerede har distinkte stadiespesifikke egenskaper. Totalt sett var rot-eksudatmetabolittprofiler svært forskjellig på tvers av bestandsalder, og støttet nedstrømsanalyser av differensielle metabolitter og deres kobling til spiringsforskjeller.

Fig. 3 Hovedkomponentanalyse

Fig. 4 Parvis sammenligning av OPLS-DA-score av roteksudater fra Haloxylon-ammodendron i forskjellige aldre

 

2.4 Store differensielle metabolske egenskaper ved Saxaul-roteksudater

2.4.1 Antall differensielle metabolitter og delte funksjoner

Hver parvise sammenligning mellom bestandsalder inneholdt et visst antall differensielle metabolitter (figur 5). Det største antallet forekom i AT vs. AO, med 31 differensielle metabolitter. AS vs. AO og AS vs. AT hadde henholdsvis 24 og 18 differensielle metabolitter, noe som indikerer at forskjellene mellom 3-års og 1-års ekssudater var de mest uttalte.

Syv differensielle metabolitter ble delt på tvers av alle tre sammenligningene, noe som indikerer et relativt stabilt sett med metabolitter som reagerer på endringer i stand-alder. I mellomtiden beholdt hver sammenligning noen unike differensielle metabolitter, noe som gjenspeiler klare stadiespesifikke trekk i ekssudatendringer. Totalt sett ble aldersforskjeller uttrykt ikke bare i metabolitttellinger, men også i en struktur der delte og stadiumspesifikke differensielle metabolitter eksisterte samtidig.

 

Fig. 5 Venn-diagram av differensielle metabolitter i roteksudater av Haloxylon ammodendron på tvers av bestandsalder

 

2.4.2 Endringsmønstre i differensielle metabolitter

Vulkanplott og grupperte varmekart indikerte modulære mønstre for endring i roteksudater på tvers av bestandsaldre. I alle tre sammenligningene (figur 6) ble signifikante metabolitter fordelt på begge sider av vulkanplott, noe som indikerer både opp- og nedregulerte metabolitter blant bestandsalder. Mange betydelige funksjoner viste store foldendringer og sterk betydning, noe som tyder på at gruppeseparasjon ble sammen drevet av et sett med konsentrerte metabolske endringer i stedet for spredte individuelle variasjoner.

Basert på metabolittannoteringer, ble store differensialkategorier konsentrert i sukkerarter, vitamin B6-relaterte molekyler, flavonoider/fenoler og lipid-relaterte molekyler. Representative differensielle metabolitter inkluderte sukrose, isopyridoksal, linolenat (18:3), PA 40:7, metylgibberellin A9 og sekologanin.

AT vs. AO inneholdt det største antallet differensielle metabolitter, noe som tyder på en sterkere kjemisk produksjonsskifte fra 1-års til 3-års stands. Forskjellene mellom AT og AS var også stabile, noe som indikerer at 3-årsfasen ikke bare er en lineær overgang mellom 1- og 6-års stands, men har distinkte scenespesifikke trekk. Totalt sett reflekterte forskjeller mellom bestandsalder hovedsakelig koordinerte endringer blant metabolittkategoriene ovenfor snarere enn isolerte fluktuasjoner i enkeltmetabolitter.

 

Fig. 6 Vulkanplott av differensielle metabolitter i rotekssudater av Haloxylon ammodendron på tvers av bestandsalder

 

Et varmekart av representative differensielle metabolitter (figur 7) viste videre god klynging av biologiske replikater og tydelig separasjon mellom standalder, noe som indikerer at stand-aldersforskjeller ble reflektert direkte i differensialmetabolittprofiler. 3-årsgruppen (AT) viste delvis likheter med AO eller AS på tvers av forskjellige metabolittmoduler, men beholdt sine egne distinkte egenskaper. Noen metabolitter toppet i AT mens de forble lavere i AO og AS; andre var lavere i AT, men høyere i AO eller AS. Dermed fulgte ikke 3-årsstadiet et enkelt monotont økning/nedgang-mønster, men snarere en tydelig stadiespesifikk omorganisering. Spesielt vitamin B6-relaterte molekyler (f.eks. isopyridoksal, pyridoksat), flavonoider/fenoler (f.eks. quercetin, isoquercitrin, scopolin) og lipid-relaterte molekyler (f.eks. linolenat 18:3, PA 40:7, FAO 2 modulære mønstre, samsvarer med FAO 18-mønsteret):1: diskrimineringsanalyser.

Fig. 7 Hierarkisk clustering-varmekart over representative differensialmetabolitter

 

2.4.3 Viktige metabolske veier involvert

KEGG-baneanalyse indikerte at aldersrelaterte forskjeller i saksaulrotekssudater primært involverte lipidmetabolisme, vitamin/kofaktormetabolisme og flavonoidrelatert sekundærmetabolisme (figur 8). Alfa-linolensyremetabolisme dukket opp med en relativt høy banepåvirkningsfaktor, som representerte en fremtredende lipidrelatert bane under aldersforskjeller. Vitamin B6-metabolisme viste også høy betydning, noe som tyder på betydelige endringer i kofaktor-relaterte og redoks-homeostase-relaterte små molekyler.

I sekundær metabolisme ble flavonoidbiosyntese, flavon- og flavonolbiosyntese, og nedbrytning av flavonoider alle beriket, noe som indikerer at fenol-flavonoidmodulen er en hovedretning for aldersvariasjon. I tillegg viste aromatiske forbindelser som benzoat-nedbrytning visse responser. Totalt sett var aldersdrevne forskjeller i saksaulroteksudater hovedsakelig strukturert rundt lipidmetabolisme, vitamin B6-metabolisme og flavonoid/fenolisk sekundær metabolisme.

2.5 Representative differensialmetabolitter screenet basert på spiringsfenotyper

For ytterligere å klargjøre koblinger mellom eksudatforskjeller ogCistanchespiringsfenotyper, differensielle metabolitter ble integrert med spiringshastighetsmønstre. Spireanalyser viste at AT-behandlingen hadde den høyeste spirehastigheten, mens AO og AS var lavere og ikke skilte seg signifikant. Dette mønsteret antyder at 3-årige saxaul-eksudater kan inneholde kjemiske komponenter som er mer gunstige for å fremmeCistanchefrøspiring.

Basert på denne fenotypen, prioriterte vi metabolitter som (i) dukket opp i både AT vs. AO og AT vs. AS sammenligninger og (ii) viste endringstrender i samsvar med høyere spiring (tabell 3). Disse kandidatdifferensialegenskapene var hovedsakelig konsentrert i sukkerarter, lipidrelaterte molekyler, vitamin B6-relaterte molekyler og flavonoider/fenoler, og var assosiert med alfa-linolensyremetabolisme, vitamin B6-metabolisme og flavonoidrelaterte veier. Disse resultatene indikerer tydelig kategorigruppering blant kandidat-metabolske funksjoner i samsvar med høyere spiring, noe som antyder at disse metabolittene eller relaterte veier kan bidra til spiringsfenotypen.

Fig. 8 Boblediagram over faktorer som påvirker metabolske veier

 

 

Tab. 3 Overensstemmelse mellom differensielle trekk ved roteksudater fra Haloxylon ammodendron-bestander i forskjellige aldre og frøspiring av Cistanche deserticola

Sammenligningsgruppe	Spireresponstype	Hoveddifferensialkategorier	Forskjelskarakteristikker	Representative differensialmetabolitter
AT vs AO	Spirehastighet iAT høyereennAO	Sukker, vitamin B6-relatert, Flavonoider/fenolsyrer, Lipider	Betydelig modulær omorganiseringi eksudater kl3-årstå alder	sukrose; Isopyridoksal; pyridoksat; Quercetin; Isoquercitrin; Linolenat (18:3)
AS vs AT	Spirehastighet iAS lavereennPÅ	Sukker, flavonoider, gibberelliner	Differensiering mellom6-årog3-årstår vedsignaliseringogsekundær-metabolismenivåer	sukrose; Isoquercitrin; Metylgibberellin A9
AS vs AO	Spirehastighetsforskjellikke vesentlig	Vitamin B6-relatert, lipider	Store metabolske forskjellermellom1 årog6-årstår, meningen signifikant spiringsforskjell	Isopyridoksal, etc.

3 Diskusjon

3.1 Standalder driver kjemisk differensiering av Saxaul-roteksudater

Planterotekssudater er ikke statiske; de justerer seg dynamisk med utviklingsstadiet, ressursallokering og miljøendringer i rhizosfæren. McLaughlin et al. [22] viste at rotekssudater varierer betydelig på tvers av plantearter og tidsskalaer, noe som indikerer sterk spatiotemporal dynamikk. Chen et al. [23] rapporterte videre at både treets alder og årstid signifikant endrer rotutskillelsesstrategier og metabolittsammensetning i kinesiske granplantasjer, noe som viser tydelige aldersstadieforskjeller i metabolsk produksjon. Disse studiene støtter et fysiologisk-økologisk grunnlag for utviklingsstadiedrevet differensiering av roteksudatkjemi.

I denne studien viste saksaulrotekssudater tydelig differensiering mellom bestandsalder på det overordnede metabolittprofilnivået. Heatmap clustering, PCA og OPLS-DA demonstrerte alle stabil separasjon mellom bestandsalder, noe som indikerer at bestandsalder kan drive trinnspesifikk kjemisk omorganisering av saksaulroteksudater. Dette stemmer overens med eksisterende kunnskap om at plantevekststadiet påvirker ekssudatsammensetningen, og antyder at i saxaul-Cistanche vertssystemet kan stand-age variasjon være en viktig økologisk faktor som former bakgrunnen til rotavledede signaler.

Dessuten svarer aldersendringer ikke bare til vertsutviklingsstadiet, men også til endringer i rhizosfærens miljøbakgrunn. Jordnæringsnivåer, pH, organisk materiale og saltholdighetsforhold kan påvirke plantenæringsoppsamling, karbontildelingsmønstre og rhizosfærestabilitet, og derved ytterligere regulere sammensetningen og frigjøringsprosessene til roteksudater.

3.2 Eksudater fra 3-års Saxaul tilsvarer høyereCistancheFrøspiringshastigheter

Frøspiring av parasittiske planter er svært avhengig av vertsavledede kjemiske signaler. Nelson [16] bemerket at rotparasittiske planter i Orobanchaceae vanligvis er avhengige av vertsrotfrigitte signalmolekyler for å oppdage vertsnærvær og initiere spiring; slik "vert-indusert spiring" er en nøkkel adaptiv mekanisme.

I denne studien,Cistanchefrøspiringshastigheten var høyest under den 3-årige saxaul-eksudatbehandlingen, signifikant høyere enn behandlinger med 1- og 6-års eksudater, mens det ikke ble observert noen signifikant forskjell mellom 1- og 6-års behandlinger. Dette indikerer at forskjellige verter i stand-alder sannsynligvis ikke bare gir forskjellige mengder eksudater, men kjemisk forskjellige spiringsfremmende bakgrunner. Det faktum at AT vs. AO hadde flest differensielle metabolitter tyder på at kjemisk omorganisering fra 1-års til 3-års bestander var størst, i samsvar med retningen for høyere spiring.

Dette mønsteret kan relateres til forskjeller i vekststadiet i saxaul og tilsvarende ressursallokeringsstrategier. Ettårig saxaul er på et tidlig etableringsstadium, hvor plantene ikke er fullstendig stabiliserte, rotsystemer og ressursinnsamling er relativt begrenset, og metabolske utganger kan være mer fokusert på vedlikehold av selvvekst. Seksårig saxaul er i et relativt modent stadium, der ressursallokering kan skifte mot vedlikehold, strukturell stabilitet og miljøtilpasning, noe som fører til mer stabile eksudasjonsstrategier. Derimot er 3-årig saxaul generelt i et kraftig vekststadium, med mer aktiv rotekspansjon, næringsopptak og underjordisk metabolisme, noe som gjør det mer sannsynlig å danne en rikere og mer variabel roteksudatprofil. På dette grunnlaget kan den uttalte omorganiseringen av metabolitten og høyere spiringshastighet i 3-årsbehandlingen reflektere et mer gunstig rhizosfæresignalmiljø for initieringCistanchefrøspiring i løpet av vårvindusperioden.

3.3 Store differensielle metabolske egenskaper i samsvar med spiringsresponser

Metabolomics avslører effektivt metabolitt-profilendringer i komplekse prøver. Når den er integrert med analyse av anrikningsveier, muliggjør den identifisering på systemnivå av store endringsretninger. Tidligere studier [31–33] antyder at kombinasjon av metabolomiske resultater med funksjonelle fenotyper som frøspiring hjelper til med å målrette kandidatmetabolitter eller veier i samsvar med fenotypiske endringer. For roteksudater er en "fenotype-først, metabolitt-sporing"-strategi spesielt nyttig for å identifisere kandidat-metabolske egenskaper assosiert med spesifikke biologiske effekter.

I denne studien viste fenotypeveiledet screening at representative differensialtrekk i samsvar med den høyere spiringshastigheten i 3-årsbehandlingen hovedsakelig var konsentrert i sukkerarter, vitamin B6-relaterte molekyler, flavonoider/fenoler og lipidrelaterte molekyler, som involverer alfa-linolensyremetabolisme, rel- og vitamin B6-metabolisme. Mekanistisk kan sukkerarter reflektere endringer i karbontilførsel og tildeling av rhizosfæren; lipid-relaterte molekyler kan relatere seg til membranlipid-remodellering og stress-signalregulering; flavonoider/fenoler kan delta i vert-parasittgjenkjenning og rhizosfæresignaloverføring; og vitamin B6-relaterte molekyler kan være knyttet til metabolsk homeostase og stressbuffring. Disse metabolske kategoriene viste koordinerte endringer i AT-gruppen.

Cistanche-relatert forskning indikerer at vertsavledede fenolsyrer kan påvirke induksjonsprosesser, og fenoliske/aromatiske sekundære metabolitter i vertsrøtter kan spille roller i parasittiske responser [14]. Selv om denne studien ikke direkte kan bevise at en enkelt metabolitt er den avgjørende faktoren som driver forbedret spiring, antyder de kategorigrupperte endringene observert i 3-årsgruppen at den spiringsfremmende fordelen mer sannsynlig stammer fra en koordinert omorganisering av flere metabolittklasser som danner en sammensatt kjemisk bakgrunn, snarere enn en tilfeldig økning av et enkelt molekyl.

3.4 Praktiske implikasjoner og studiebegrensninger

Fra et produksjonspraksis-perspektiv tyder resultatene på at i løpet av vårvindusperioden kan 3-årig saxaul ha bedre potensial forCistancheinokulering, og gir en referanse for utvelgelse av vertsstandsalder i underskogCistanchedyrking og mulige retninger for teknisk utvikling for å forbedre inokuleringssuksess.

Denne studien er imidlertid basert på en enkelt vårprøve, og konklusjonene reflekterer hovedsakelig sammenhenger under vårvinduet; direkte ekstrapolering til hele året støttes ennå ikke. I tillegg forblir rollen til jordbakgrunn i utformingen av ekssudatmetabolitttrekk i stor grad inferensiell og bør valideres ytterligere via korrelasjonsanalyser, kontrollerte eksperimenter eller multi-omics-tilnærminger. Umålrettet metabolomikk har også begrensninger som isomerinterferens og begrenset identifikasjonstillit for noen metabolitter. Derfor bør lipid-relaterte, vitamin B6-relaterte og flavonoid/fenoliske molekyler betraktes som kandidatretninger snarere enn fullstendig bekreftede nøkkelinduksjonsfaktorer. Til slutt påvirkes praktiske inokuleringsresultater av flere faktorer, inkludert parasittetablering, haustoriumdannelse, påfølgende vekst, feltvann-saltforhold og forvaltningspraksis. Ytterligere arbeid som kombinerer feltinokulasjonsforsøk, undersøkelser av parasittetablering og målrettet validering av nøkkelkandidatmetabolitter er nødvendig for å styrke oversettelse til produksjon i den virkelige verden.

 

4 Konklusjoner

Kjemisk reorganisering av saksaulroteksudatsammensetning på tvers av bestandsalder samsvarte klart med forskjeller iCistanchefrøspiringsresponser, som fremhever viktigheten av vertsutviklingsstadiet for å regulere parasittiske frøspiringsfenotyper. I april skilte rotekssudatmetabolske profiler seg markant mellom bestandsalder. De 3-årige saxaul-eksudatene viste de mest uttalte forskjellene og tilsvarte de høyesteCistanchefrøspiringshastighet. Representative differensielle trekk i samsvar med høyere spiring var hovedsakelig konsentrert i sukkerarter, vitamin B6-relaterte molekyler, flavonoider/fenoler og lipid-relaterte molekyler, som involverer alfa-linolensyremetabolisme, vitamin B6-metabolisme og flavonoidrelaterte veier. Forholdet mellom bestandighet-eksudat-spiring fulgte ikke en enkel lineær forbedring; middels bestandsalder var mer sannsynlig å danne en kjemisk bakgrunn i samsvar med høyere spiringsrespons.

 

Forfatterbidrag

Zhao Zhen: konseptualisering, metodikk, etterforskning, datakurering, dataanalyse, utkast, visualisering.
Fan Jinglong: metodikk, gjennomgang og redigering, visualisering, veiledning, prosjektadministrasjon, finansieringsanskaffelse.
Dong Weikang: undersøkelse, datakurering.
Zhou Zhibin: ressurser, tilsyn, finansieringsoppkjøp.
Li Bingwen, Wang Shijie: metodikk, ressurser, tilsyn, finansieringsoppkjøp.