——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學院辦院方針
2025年10月20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在Nature Communications雜志在線發(fā)表題為"A dirigent protein redirects extracellular terpenoid metabolism for defense against biotic challenges"的研究論文。該研究系統(tǒng)闡明了植物天然產(chǎn)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(guān)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。該代謝重定向機制有效增強了植物對多種生物脅迫的化學防御能力，為深入理解植物防御性代謝網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)調(diào)控提供了新的理論基礎(chǔ)，也為作物抗病蟲育種及天然產(chǎn)物的代謝工程改良提供了重要思路。
棉花是全球最重要的經(jīng)濟作物之一。為了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了高度復雜的化學防御體系。其中，萜類化合物作為關(guān)鍵特化代謝產(chǎn)物（Specialized metabolites），具有顯著的抗病蟲活性，在植物防御過程中發(fā)揮著核心作用。
在棉花中，一系列以半棉酚（Hemigossypol）為核心前體的萜類防御物質(zhì)——包括棉酚（Gossypol）、半棉酚酮（Hemigossypolone）和殺夜蛾素（Heliocides）——構(gòu)成了一個復雜的化學防御網(wǎng)絡(luò)。這些化合物在不同組織中呈現(xiàn)出高度的空間分布特異性：棉酚主要積累于非綠色組織（如根和種子）中，而半棉酚酮和殺夜蛾素則主要分布于綠色組織（如葉和莖）中。這種組織特異性的代謝分布模式反映了植物對資源與防御平衡的“最優(yōu)防御”策略。然而，棉花如何在分子層面上精確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，其精確調(diào)控機制一直是未解之謎。
本研究通過多組學整合分析，鑒定出兩個關(guān)鍵蛋白——GhDP1和GhAKR13D2，它們在棉花綠色組織中協(xié)同調(diào)控萜類防御代謝流的重定向。研究發(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(yīng)，生成中間體5-羥基-半棉酚，并進一步經(jīng)自發(fā)氧化形成半棉酚酮。這一反應(yīng)途徑有效引導代謝流從棉酚合成轉(zhuǎn)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(chǎn)生半棉酚酮和殺夜蛾素，而是在綠色組織中積累了大量棉酚，因此對多種生物脅迫（包括多種病原真菌與植食性昆蟲）的敏感性顯著增強。這一結(jié)果表明，GhDP1與GhAKR13D2在調(diào)控防御相關(guān)萜類化合物合成中發(fā)揮關(guān)鍵作用，是棉花應(yīng)對外界脅迫、維持代謝平衡的核心調(diào)控因子。
值得強調(diào)的是，引導蛋白長期以來被認為主要參與酚類化合物的立體選擇性二聚化反應(yīng)，本研究首次揭示了其全新的生化功能——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(yīng)。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(gòu)筑了一道額外的化學防御屏障，顯著增強了其抵御病原侵染與害蟲取食的能力。
總之，該研究不僅揭示了棉花萜類代謝流空間重定向的分子基礎(chǔ)，也拓展了引導蛋白的功能邊界。該發(fā)現(xiàn)為理解植物防御系統(tǒng)的精細調(diào)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(nóng)藥提供了新的理論支撐與研究路徑。
本研究的第一作者為中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心已畢業(yè)博士研究生林嘉玲、在讀博士研究生吳文凱和聶貴彬，通訊作者為黃金泉研究員。博士后郭曉祥、助理研究員陳梅及副研究員王凌健等參與了相關(guān)實驗工作。特別感謝陳曉亞研究員及Cathie Martin 教授在本研究中給予的大力支持。同時感謝辰山植物園李建戌副研究員、昆明植物研究所方欣研究員、煙臺新藥創(chuàng)制山東省實驗室徐寶福研究員和李燕研究員、深圳大學高軼群教授、上海有機化學研究所劉佳鑫副研究員等專家在研究過程中提供的指導與幫助。本研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金及中國科學院青年創(chuàng)新促進會等項目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64323-z
GhDP1和GhAKR13D2通過重新定向細胞外萜類代謝流來抵御生物脅迫
