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熱帶豆科柱花草錳耐受性研究獲進展
作者：張晴丹      來源：中國科學報
山東拓普生物工程有限公司  http://www.xhztyn.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)。因其適應性強、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的適應性，被認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)增強柱花草錳耐受性的分子機制。
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。代謝組學分析鑒定到RY5根系多種錳響應代謝物，這些代謝物主要包括黃酮類和酚酸類化合物。此外，過量錳脅迫誘導了參與苯丙烷/黃酮代謝途徑的相關基因在RY5根中的表達。這些結果表明苯丙烷/黃酮代謝途徑相關基因在柱花草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鍵酶，其催化苯丙氨酸轉化為反式肉桂酸，隨后產(chǎn)生多種次級代謝物生物合成的前體，并驅(qū)動各種代謝物進入不同的代謝途徑，因此，該研究對柱花草SgPAL2基因進行了深入分析。SgPAL2基因在柱花草根系中受過量錳誘導表達，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SgPAL2基因顯著增加了轉基因柱花草復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基金和國家牧草產(chǎn)業(yè)技術體系的資助。
相關論文信息：https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf005
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