柱花草（Stylosanthes?spp.）是豆科蝶形花亞科的一個(gè)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(duì)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(jí)代謝途徑對(duì)柱花草過(guò)量錳耐受性具有潛在作用，但次級(jí)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(guó)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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳志堅(jiān)團(tuán)隊(duì)在Plant Physiology發(fā)表了題為“PHENYLALANINE AMMONIA-LYASE 2 regulates secondary metabolism and confers manganese tolerance in Stylosanthes guianensis”的研究論文，揭示了苯丙氨酸解氨酶SgPAL2通過(guò)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(guò)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(guò)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(jí)代謝物生物合成的前體，并驅(qū)動(dòng)各種代謝物進(jìn)入不同的代謝途徑，因此，該研究對(duì)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(guò)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(guò)量錳條件下，與對(duì)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(guò)量錳脅迫對(duì)柱花草根伸長(zhǎng)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(guò)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(guò)代謝工程和合成生物學(xué)途徑提高作物對(duì)酸性土壤逆境脅迫的耐受性提供依據(jù)。
中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所陳志堅(jiān)副研究員為論文通訊作者，團(tuán)隊(duì)已畢業(yè)碩士生王林杰和李季膚（現(xiàn)均為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生）為論文共同第一作者。團(tuán)隊(duì)碩士研究生劉莉婷、董榮書(shū)研究員和劉國(guó)道研究員對(duì)本研究提供了重要幫助和支持，國(guó)際熱帶農(nóng)業(yè)中心Idupulapati M. Rao教授對(duì)本研究給予了重要指導(dǎo)。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf005
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