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熱帶豆科柱花草錳耐受性研究獲進(jìn)展
作者：張晴丹      來源：中國科學(xué)報
山東拓普生物工程有限公司  http://www.jlkcpj.cn
柱花草是豆科蝶形花亞科的一個屬，起源于熱帶和亞熱帶地區(qū)。因其適應(yīng)性強(qiáng)、品質(zhì)好產(chǎn)量高，柱花草在世界熱帶地區(qū)被廣泛種植利用。柱花草對金屬元素（鋁和錳）毒害和缺磷酸性土壤具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，被認(rèn)為是用于熱帶酸性瘦瘠土壤改良的先鋒豆科牧草。盡管次級代謝途徑對柱花草過量錳耐受性具有潛在作用，但次級代謝物和關(guān)鍵酶在提高柱花草耐錳性中的作用尚不清楚。
近日，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所/熱帶作物生物育種全國重點實驗室陳志堅團(tuán)隊在Plant Physiology發(fā)表研究論文，揭示了苯丙氨酸解氨酶SgPAL2通過代謝調(diào)節(jié)增強(qiáng)柱花草錳耐受性的分子機(jī)制。
該研究發(fā)現(xiàn)，耐錳柱花草基因型RY5可以通過激活抗氧化防御系統(tǒng)緩解錳毒害。代謝組學(xué)分析鑒定到RY5根系多種錳響應(yīng)代謝物，這些代謝物主要包括黃酮類和酚酸類化合物。此外，過量錳脅迫誘導(dǎo)了參與苯丙烷/黃酮代謝途徑的相關(guān)基因在RY5根中的表達(dá)。這些結(jié)果表明苯丙烷/黃酮代謝途徑相關(guān)基因在柱花草RY5錳耐受性中發(fā)揮重要作用。
由于苯丙氨酸解氨酶（PAL）是苯丙烷途徑中的關(guān)鍵酶，其催化苯丙氨酸轉(zhuǎn)化為反式肉桂酸，隨后產(chǎn)生多種次級代謝物生物合成的前體，并驅(qū)動各種代謝物進(jìn)入不同的代謝途徑，因此，該研究對柱花草SgPAL2基因進(jìn)行了深入分析。SgPAL2基因在柱花草根系中受過量錳誘導(dǎo)表達(dá)，其編碼蛋白定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中。在過量錳條件下，與對照株系相比，超量表達(dá)SgPAL2基因顯著增加了轉(zhuǎn)基因柱花草復(fù)合植株的地上部和根部干重，而干涉SgPAL2基因則出現(xiàn)相反的表型。并且，超量表達(dá)SgPAL2基因顯著改變了柱花草根系的代謝水平，特別是黃酮類代謝。此外，添加外源毛蕊異黃酮（一種受SgPAL2調(diào)控的異黃酮）處理能顯著降低過量錳脅迫對柱花草根伸長的抑制作用，表明毛蕊異黃酮具有緩解柱花草錳毒害的作用。
綜上所述，該研究揭示了SgPAL2基因通過代謝調(diào)節(jié)提高柱花草耐錳性方面的生物學(xué)功能，并探索了緩解植物錳毒害的潛在代謝物及途徑。本研究為培育和改良耐金屬毒害豆科牧草新品種提供參考，也為通過代謝工程和合成生物學(xué)途徑提高作物對酸性土壤逆境脅迫的耐受性提供依據(jù)。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金和國家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的資助。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf005
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