研究简介：本文研究了毛竹（Phyllostachys edulis）枝条中缩短血红蛋白（PeTrHb）在慢性缺氧适应中的调控作用。毛竹枝条的快速生长依赖于高效的能量代谢，但其密集的韧皮部结构和高耗氧量导致内部环境长期处于慢性缺氧状态。本研究通过测量毛竹枝条不同生长阶段的氧浓度、呼吸代谢，并结合RNA测序分析缺氧响应基因表达谱，揭示了PeTrHb在维持缺氧稳态中的潜在作用。研究发现，毛竹枝条内部氧水平（0.68%–3.60%[v/v]）显著低于土壤水中的氧水平（17.48%[v/v]），且基部低氧区域（富含分生组织的区域）与高PeTrHb1表达区域重叠。在空气处理下，有氧呼吸仅占38%–47%，而在氮气胁迫下，乙醇浓度并未显著增加，表明毛竹枝条可能通过非乙醇发酵途径维持能量稳态。PeTrHb1/2展现出极高的氧亲和力（Ka=10^8–10^9 M^-1），其核质定位特征表明它们可能通过结合游离氧分子来限制线粒体的氧可用性。此外，通过在毛竹和瞬时转化的烟草叶片中验证，证实了PeTrHb1在维持缺氧下细胞活性中的关键作用。研究揭示了毛竹枝条在生长发育过程中存在的慢性缺氧现象，并提出了PeTrHb1可能通过调节氧分配来维持缺氧微环境的机制，这一机制可能避免了乙醇发酵的有毒积累，并为能量代谢提供了新的途径。这些发现为未来分析毛竹快速生长与缺氧耐受之间的关系提供了参考，并为培育耐低氧胁迫的作物提供了潜在的靶点。

Unisense微电极系统的应用

Unisense微电极被用于测量毛竹枝条不同部位的溶解氧浓度。将针型氧微电极从顶端分生组织向下插入1cm处，测量溶解氧浓度。将微电极水平插入第五节间中心1cm处，进行溶解氧浓度的测量。在剥去鞘后，将传感器水平穿透鞘基部区域，测量溶解氧浓度。通过精确测量毛竹枝条不同部位的氧浓度，为研究毛竹枝条内部的氧分布情况提供了直接数据，从而证实了毛竹枝条内部存在持续的低氧微环境，为后续研究毛竹枝条的慢性缺氧适应机制奠定了基础。有助于了解毛竹枝条内部氧浓度与外部环境（如土壤水和枝条鞘）氧浓度的差异，以及不同生长阶段氧浓度的变化情况，进而揭示了毛竹枝条内部氧浓度的分布特点和变化规律。

实验结果

本研究揭示了毛竹枝条通过PeTrHb介导的潜在协调机制，该机制可能调和了快速生长期间的慢性缺氧与高能量需求之间的矛盾。尽管竹枝通过两种途径获取氧气，即竹鞘的气孔气体交换和根部介导的土壤溶解氧吸收，但由于细胞密度高、呼吸作用旺盛导致的氧梯度，分生组织却发展出了持续的低氧状态。高度表达的PeTrHb1可能会结合游离氧分子，降低细胞质中的氧浓度，从而限制线粒体的有氧呼吸。同时，细胞核中的PeTrHb1可能会参与调节代谢相关基因的表达，促使细胞依赖非乙醇发酵途径来维持能量供应。这种“限氧-代谢适应”策略可能有助于支持竹枝分生组织中持续的细胞分裂和伸长。这些发现为快速生长植物在缺氧条件下PeTrHb介导的能量代谢调控提供了新的见解，同时也为培育抗低氧胁迫（如水淹）的作物提供了分子靶点。

图1、毛竹笋采样和氧气浓度测量示意图.图a显示研究的四个生长阶段：冬笋(W)、出土前春笋(S1)、50cm春笋(S2)和150cm高春笋(S3)。图b展示氧气测量方法：在顶端分生组织向下1cm处(顶端测量)和从基部向上第五节的中心水平插入1cm(基部测量)进行溶解氧浓度测定。图c显示吐水收集方法：用注射器收集吐水，并分析自然渗透土壤水的溶解氧浓度。

图2、毛竹笋、土壤水、吐水和箨中的溶解氧浓度。图a显示不同生长阶段竹笋基部和顶端区域的氧气水平，字母不同表示Tukey检验显著差异(p<0.05)。图b比较了土壤水、吐水和箨中的氧气浓度，显示竹笋内部氧气浓度(0.68-3.60%[v/v])显著低于土壤水(17.48%[v/v])。

图3、空气和氮气处理下毛竹笋(W-S3)有氧/无氧呼吸比例及乙醇浓度分析。图中展示了呼吸代谢特征。（a）在空气（Air）和氮气（N2）处理条件下，茎中的有氧呼吸和无氧呼吸比例（W-S3）。（b）不同处理条件下茎组织中的乙醇浓度。

图4、对毛竹嫩芽中缺氧响应基因的分析（a）GO:0001666 基因集表达的热图分析。样本代码：W_B（W 阶段 - 基本型）、S1_B（S1 阶段 - 基本型）、S2_B（S2 阶段 - 基本型）、S3_B（S3 阶段 - 基本型）；W_T（W 阶段 - 顶部）、S1_T（S1 阶段 - 顶部）、S2_T（S2 阶段 - 顶部）、S3_T（S3 阶段 - 顶部）。（b）在 W-S3 阶段的不同区域中 GO：0001666 基因集中差异表达基因的表达相关性分析。FPKM < 1 的基因被排除。（c）W_T（对照）与 S1_B 之间 GO：0001666 基因集中差异表达基因的火山图。下：显著下调的基因；NS：无显著差异的基因；上：显著上调的基因（p < 0.05），|倍数变化| > 2。（d）毛竹嫩芽中 PeTrHb1 的相对表达水平。（e）W_T 和 S1_B 中 PePDC2a（PH02Gene00055）的相对表达水平。（f）W_T 和 S1_B 中 PeADH1b（PH02Gene33378）的相对表达水平。（g）在毛竹茎中，氧浓度与 PeTrHb1（PH02Gene18993）表达量之间的线性回归关系（n = 24，R2 = 0.79093，p < 0.001）。红色阴影表示 95% 的置信区间。（h）在毛竹茎中，氧浓度与 PePDC2a 表达量之间的线性回归关系（n = 24，R2 = 0.42893，p < 0.001）。（i）在毛竹茎中，氧浓度与 PeADH1b 表达量之间的线性回归关系。

图5、对PeTrHb、血红蛋白和O2复合物的动力学模拟结果。（a）PeTrHb-血红素-O2复合物系统的RMSD计算结果。（b）PeTrHb-血红素-O2复合物系统的Rg计算结果。（c）PeTrHb-血红素-O2复合物系统溶剂可及性SASA计算结果。（d）PeTrHb-血红素-O2复合物系统中氧分子与氨基酸残基之间氢键数量的计算结果。

结论与展望

毛竹笋的快速生长依赖于高效的能量代谢，但其致密的韧皮部结构和高耗氧量导致了慢性低氧环境。本研究测量了不同生长阶段竹笋的氧气浓度、呼吸代谢，并通过RNA-seq分析了低氧响应基因表达谱。结合分子动力学模拟、亚细胞定位和低氧胁迫实验，我们鉴定了一个毛竹截短血红蛋白(PeTrHb)并研究了其在维持低氧稳态中的潜在作用。结果显示，竹笋内部氧浓度(0.68-3.60%[v/v])显著低于土壤水(17.48%[v/v])，基础低氧区(富含分生组织的区域)与PeTrHb1高表达区重叠。在空气处理下，有氧呼吸比例仅为38-47%，但在氮气胁迫下乙醇浓度未显著增加，这些发现表明竹笋可能通过非乙醇发酵途径维持能量稳态；PeTrHb1/2表现出超高的氧亲和力(Ka=10⁸-10⁹M⁻¹)，其核质定位特征表明它们可能通过结合游离氧分子来限制线粒体氧可用性。最后，在毛竹和瞬时转化的烟草叶片中验证了PeTrHb1在维持低氧条件下细胞活力的关键作用。unisense微电极精确测量毛竹枝条不同部位的氧浓度，为研究毛竹枝条内部的氧分布情况提供了直接数据，从而证实了毛竹枝条内部存在持续的低氧微环境，为后续研究毛竹枝条的慢性缺氧适应机制奠定了基础。本研究确定了毛竹笋生长发育过程中的慢性低氧现象，并提出PeTrHb1可能参与调节氧分配以维持低氧微环境，这种机制可能避免乙醇发酵的毒性积累，并为能量代谢提供新途径。这些发现为未来分析毛竹快速生长与低氧耐受性之间的关系提供了参考。