JXB | 北京林业大学林学院付玉杰教授课题组褪黑素通过促进黄酮的生物合成提高植物抗逆的分子机制

北京林业大学林学院付玉杰教授团队继2021年3月发表在植物学权威期刊The Plant Journal杂志上“The Pigeon Pea CcCIPK14-CcCBL1 Pair Positively Modulates Drought Tolerance by Enhancing Flavonoid Biosynthesis”一文后又将其后续工作于近日在重要期刊Journal of Experimental Botany在线发表了题为“Melatonin enhances plant stress tolerance by promoting flavonoid enrichment, focusing on luteolin for salt stress”的研究论文。揭示了褪黑素通过诱导CcPCL1转录因子的表达提高了CcF3’H-5的转录，促进木犀草素的生物合成，从而增强了木豆对于盐胁迫的耐受性。

褪黑素自1995年在植物中被发现以来得到了广泛的研究，参与了植物生长、发育、逆境抵御、果实采后管理等各个过程。植物能够通过应用外源褪黑素或诱导内源褪黑素生物合成对当前的压力状况作出反应，通过调节抗氧化剂、改善光合作用、激素串扰或次生代谢来缓解胁迫对植物的抑制作用。此外，外源性褪黑素的应用往往会引起黄酮代谢通路结构基因和调控基因表达模式的变化，并伴随着黄酮类化合物的积累，而黄酮作为一种重要的次生代谢产物，同样广泛参与植物了对多种胁迫的响应。

在本研究中，作者通过褪黑激素预处理，发现木豆对盐、干旱和热胁迫的抗性显著增强。为了研究褪黑素增强木豆抗逆性的机制，进行了LC-MS/MS代谢组分析，共检测到545种代谢物，其中113种代谢物显著累积，15种代谢物减少。这些差异累积的代谢物包括53种黄酮和黄酮C-糖苷，26种氨基酸和衍生物，14种核苷酸和衍生物，以及35种其他代谢物。在53种黄酮类化合物和黄酮C-糖苷类化合物中，47种代谢产物显著积累，而只有6种黄酮类化合物减少。其中木犀草素及其衍生物对木豆褪黑素的反应最强，富集倍数最高。

为了进一步阐明褪黑素对代谢物积累的影响，作者对褪黑素处理后的根进行了转录组测序，将转录组分析重点放在苯丙烷途径，尤其是木犀草素及其衍生物途径上，并进行了转录组和代谢组关联分析。筛选到了影响褪黑素诱导并且与木犀草素生物合成相关的酶基因CcF3’H-5以及转录因子CcPCL1，这两个基因都强烈响应盐胁迫诱导。随后通过酵母单杂交和EMSA分析表明转录因子CcPCL1直接与CcF3'H-5启动子结合以增强 CcF3'H-5的转录。CcF3'H家族编码一种催化木犀草素生物合成的酶，CcPCL1和CcF3'H-5的转基因毛状根分析表明，CcPCL1和CcF3'H-5正向调节木犀草素生物合成和木豆耐盐性。此外，本研究中还发现了一些其他黄酮在褪黑素处理下显著富集，可能参与其他生命过程的调控。总之，本研究提出了一个概念框架，即黄酮类化合物可能作为褪黑素的重要介质，增强植物对多种胁迫的耐受性，为今后研究褪黑素的多种功能的分子机制提供新的见解。

本文通讯作者付玉杰教授常年从事次生代谢产物合成及经济林木发育和抗逆等相关研究，共同通讯作者为林学院孟冬教授，第一作者为林学院宋治华博士和杨清副教授。董碧莹博士、李娜硕士、王梦莹硕士、杜婷婷博士、刘妮硕士、牛丽丽研究员助理和靳豪杰老师也在该研究中完成了部分工作。本研究得到了国家自然科学基金（31922058、31901281、31930076、32171742）和北京林业大学杰出青年人才基金（2019JQ03009）的资助。

本文转载自植物科学最前沿

转自：植物生物技术Pbj

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