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棉花是重要的經濟作物之一。為抵御昆蟲取食和病原侵染等多種生物脅迫，棉花在長期進化過程中形成高度復雜的化學防御體系。其中，萜類化合物作為關鍵特化代謝產物具有抗病蟲活性，在植物防御過程中發(fā)揮著重要作用。然而，棉花如何在分子層面控制萜類代謝流的組織特異性分配，以及如何在細胞外環(huán)境中實現(xiàn)代謝流的動態(tài)重定向，仍是未解之謎。近日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心黃金泉研究組，闡明了植物天然產物生物合成過程中代謝流空間重定向的分子機制。研究發(fā)現(xiàn)，引導蛋白與醛酮還原酶可形成功能復合體、截流棉酚生物合成途徑的關鍵中間體半棉酚，并在棉花綠色組織中將萜類代謝流重定向生成半棉酚酮和殺夜蛾素。該代謝重定向機制可增強植物對多種生物脅迫的化學防御能力，為探討植物防御性代謝網(wǎng)絡的動態(tài)調控奠定了新的理論基礎，并為作物抗病蟲育種及天然產物的代謝工程改良提供了新思路?？蒲袌F隊通過多組學整合分析，鑒定出GhDP1和GhAKR13D2兩個關鍵蛋白，它們在棉花綠色組織中協(xié)同調控萜類防御代謝流的重定向。團隊發(fā)現(xiàn)，在氧化條件下，GhDP1與GhAKR13D2可協(xié)同催化半棉酚的羥基化反應，生成中間體5-羥基-半棉酚，并經自發(fā)氧化形成半棉酚酮。這一反應途徑引導代謝流從棉酚合成轉向更具防御活性的半棉酚酮及其衍生物殺夜蛾素的生成。功能研究表明，GhDP1敲除導致棉花無法再產生半棉酚酮和殺夜蛾素，卻在綠色組織中積累大量棉酚，因而對多種生物脅迫的敏感性增強。這表明，GhDP1與GhAKR13D2在調控防御相關萜類化合物合成中發(fā)揮關鍵作用，是棉花應對外界脅迫、維持代謝平衡的調控因子。團隊揭示了引導蛋白可與醛酮還原酶形成穩(wěn)定復合體，介導萜類化合物的細胞外羥基化反應的新的生化功能。通過在細胞外環(huán)境中催化半棉酚酮和殺夜蛾素的生成，GhDP1與GhAKR13D2為棉花構筑了一道額外的化學防御屏障，增強了其抵御病原侵染與害蟲取食的能力。上述研究揭示了棉花萜類代謝流空間重定向的分子基礎，拓展了引導蛋白的功能邊界。同時，這一工作為剖析植物防御系統(tǒng)的精細調控機制提供了新視角，并為通過基因工程與代謝工程培育高抗作物、開發(fā)天然農藥提供了新的理論支撐與研究路徑。10月20日，相關研究成果在線發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院相關項目等的支持。論文鏈接GhDP1和GhAKR13D2通過重新定向細胞外萜類代謝流來抵御生物脅迫