近日，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所（東北地理所）大豆次生代謝與營養(yǎng)團(tuán)隊在蛋白翻譯后修飾（PTMs）調(diào)控植物次生代謝產(chǎn)物合成以及植物逆境脅迫適應(yīng)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在New Phytologist、Trends in Plant Science、Horticulture Research等領(lǐng)域頂尖期刊。
東北地理所尹小建研究員團(tuán)隊與中國藥科大學(xué)齊煉文教授團(tuán)隊聯(lián)合在藥用植物丹參（Salvia miltiorrhiza）次生代謝調(diào)控研究中取得突破。研究團(tuán)隊通過整合代謝組、蛋白質(zhì)組與磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)分析，系統(tǒng)解析了丹參不同器官中丹參酮類成分積累與蛋白質(zhì)表達(dá)譜的關(guān)聯(lián)，首次鑒定出絲裂原活化蛋白激酶SmMAPK4可通過磷酸化修飾bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子SmBTS1，進(jìn)而激活丹參酮生物合成關(guān)鍵基因SmCPS1的表達(dá)，最終顯著提升丹參酮產(chǎn)量。該研究不僅揭示了蛋白質(zhì)磷酸化在丹參酮合成中的上游調(diào)控機(jī)制，也為利用激酶工程與轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控培育高產(chǎn)丹參酮丹參種質(zhì)資源提供了關(guān)鍵靶點與理論依據(jù)。相關(guān)成果已在線發(fā)表于植物學(xué)國際知名期刊《New Phytologist》。
圖1. SmMAPK4-SmBTS1-SmCPS1促進(jìn)丹參酮合成作用模式圖
中國藥科大學(xué)博士研究生張家豪、已畢業(yè)碩士研究生王曉曉為論文的共同第一作者；中國科學(xué)院東北地理所尹小建研究員、馮獻(xiàn)忠研究員、中國藥科大學(xué)齊煉文教授、美國德克薩斯理工大學(xué)Luis Herrera-Estrella教授和Lam-Son Phan Tran教授為論文的共同通訊作者。中國藥科大學(xué)陸續(xù)教授、中國科學(xué)院東北地理所李偉強(qiáng)教授、劉艷杰研究員也為本課題的開展提供了幫助與指導(dǎo)。本研究獲得國家自然科學(xué)基金及中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土地保護(hù)與利用重點實驗室青年科學(xué)家創(chuàng)新基金的資助。
團(tuán)隊進(jìn)一步以MAPK regulates secondary metabolism and abiotic stress in horticultural and medicinal?plants為題系統(tǒng)闡述了以絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）級聯(lián)為核心的磷酸化網(wǎng)絡(luò)如何將鹽、旱、溫度等非生物脅迫信號與次生代謝重編程相連接，涵蓋MAPK家族組成與系統(tǒng)發(fā)育、逆境響應(yīng)機(jī)制，以及其對苯丙烷類、萜類、生物堿等多類次生代謝產(chǎn)物積累的調(diào)控模式與作用機(jī)制。提出MAPK是實現(xiàn)“抗逆—品質(zhì)”耦合調(diào)控的重要橋梁，為分子設(shè)計育種與代謝工程提供了更具可操作性的策略框架。相關(guān)成果發(fā)表在?Horticulture Research。
圖2. MAPK調(diào)控藥用植物活性成分合成的作用模式圖
團(tuán)隊以Nonhistone deacetylation: a switch for crop resilience為題發(fā)表于Trends in Plant Science的?Spotlight文章指出，組蛋白去乙?；福℉DAC）介導(dǎo)的非組蛋白去乙酰化在作物逆境響應(yīng)中充當(dāng)重要的分子開關(guān)。在小麥中，組蛋白去乙?；窽aHDA8通過去乙?；D(zhuǎn)錄因子TaAREB3抑制根系伸長，從而負(fù)調(diào)控抗旱性，但干旱脅迫會抑制TaHDA8的蛋白豐度；組蛋白去乙?；窽aSRT1通過去乙酰化熱激蛋白TaHSP18.6抑制生長素信號，進(jìn)而負(fù)調(diào)控鐮刀菌冠腐病抗性，而病原侵染同樣會降低TaSRT1的蛋白豐度。由此，生物脅迫與非生物脅迫觸發(fā)的“去乙?；饔媒獬笨勺鳛樘嵘魑锟鼓嫘缘恼{(diào)控開關(guān)，為抗逆育種提供了可模塊化利用的新靶點。
圖3. 組蛋白去乙?；福℉DACs）介導(dǎo)的非組蛋白去乙酰化調(diào)控小麥對干旱與鐮刀菌冠腐病的響應(yīng)
在上述論文中，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所邢明慧特別研究助理作為第一作者在《Trends in Plant Science》發(fā)表論文，并作為共同通訊作者在《Horticulture Research》發(fā)表論文；碩士研究生劉雙璐為《Horticulture Research》論文第一作者。尹小建研究員為上述論文的通訊作者，李偉強(qiáng)研究員為《Trends in Plant Science》論文的共同通訊作者。上述論文還得到美國德州理工大學(xué)?Lam-Son Phan Tran教授、河南大學(xué)張驍教授及程凱副教授、鄭州大學(xué)趙雪潔博士等的支持與幫助。研究工作獲得國家重點研發(fā)計劃和中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所青年科學(xué)家團(tuán)隊項目等項目聯(lián)合資助。
