Trends in Plant Science特刊丨强大的植物特异性代谢

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特异性代谢（specialised metabolism）是植物拥有的最为强大的能力，本期Trends in Plant Science特刊覆盖了与植物特异性代谢有关的一系列议题。植物会产生大量不以促进生长或繁殖为目的，而是发挥重要生物作用（如信号传递或保护）的代谢物，这些代谢物结构各异，种类估计在20~100万之间。迄今为止，其中许多作用及其内在机制依然有待研究。本期Trends in Plant Science特刊重点介绍了其中一些机制和代谢物的最新研究进展，例如封面研究所揭示的植物固醇在植物-微生物相互作用中的潜在作用。

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适可而止：特异性新陈代谢的反馈控制

近来有关植物新陈代谢的研究进展，强调了特异性代谢物（specialized metabolites）在调控生物合成网络相关基因表达方面的重要作用。来自美国普渡大学（Purdue University）的Ying Li团队发表观点文章，基于来自植物和其他生命界的现有证据，重点探讨了小分子介导的转录水平反馈调控的分子机制及其潜在作用模式，包括代谢物信号感知、传感器性质以及导致转录和转录后调控的信号转导机制。此外，研究人员还讨论了当前研究在确定小分子-蛋白质相互作用的发生、影响和定位方面所面临的挑战。进一步了解小分子控制的代谢通量将有助于在代谢工程中合理设计转录调控系统，以生产高价值的特异性代谢物。

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固醇：植物-微生物相互作用中的多面手

植物-微生物相互作用（Plant-microbe interactions, PMIs）受到一系列广泛机制的调节，而来自植物和微生物的固醇则以多种方式参与其中，包括伙伴间的识别、传导、沟通和（或）交换。PMI通过植物固醇生物合成相关基因的表达及其积累，调节植物固醇平衡。因此，PMI 的结局还包括质膜功能化事件（plasma membrane functionalization events）（植物固醇在其中起核心作用），以及激活参与细胞信号传导的固醇相互作用蛋白。来自法国勃艮第大学（University of Bourgogne）的Patricia Gerbeau-Pissot团队发表观点文章并指出，尽管（或许正是因为）固醇具备这样的多方面能力，我们很难确定其整体作用机制，不过探索固醇多样性、其定位以及对PMI结局影响的好方法，将有助于破译固醇在PMI中的关键作用。

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解码植物特异性代谢：新的机理认识

次生代谢物（secondary metabolite）的产生提供了生物和非生物胁迫抗性，使植物能够适应环境。这些代谢物的生物合成涉及到转录因子和调控元件之间的复杂相互作用，新出现的证据表明，染色质动态起着不可或缺的作用。来自中国科学院华南植物园的罗鸣（Ming Luo）团队发表综述论文，回顾了在不同情况下调控次生代谢物生物合成的关键转录因子和表观遗传调控因子。研究人员总结了拟南芥（Arabidopsis thaliana）模式物种的相关新兴技术和成果，并概述了可能在粮食、饲料、纤维、油料或工业作物植物中也起作用的调控方式。此外，研究人员重点阐述了实现基础知识从模式物种向非模式物种的有效转化，对于理解各种生态、农业和制药环境中次生代谢物生产的好处。

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木质素生物合成模型：通往可再生化学品的道路

植物生物质含有可转化为高附加值化学品、燃料和材料的木质素。对植物细胞木质素含量和组成进行精确的遗传操纵，可带来巨大的环境和经济效益。但木质素形成的调控机制错综复杂，这对开发具备特定木质素特征的作物提出了挑战。近来，学界利用数学模型和计算模拟获得了有关木质素和相关酚类化合物新陈代谢的基础洞见。来自湖北大学的饶晓兰（Xiaolan Rao）和来自美国密苏里大学（University of Missouri）Jaime Barros发表综述论文，讨论了植物代谢网络建模策略，重点关注了数学建模在单木质素生物合成通量网络分析中的应用。此外，研究人员还强调了如何克服当前挑战，以优化代谢建模方法在木质素工程植物开发中的应用。

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从气候变化视角看植物次生代谢

气候变化对生态系统和农业的影响是不可预测的。植物通过新陈代谢来克服这些挑战，而植物次生代谢物（plant secondary metabolites, PSM）是植物与环境相互作用的关键。因此，了解 PSM对气候变化的反应，对于未来的栽培和育种策略至关重要。来自江苏省中国科学院植物研究所的孙玉明（Yuming Sun）和来自德国马克斯·普朗克分子植物生理研究所（Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology）的Alisdair R. Fernie发表综述论文，回顾了 PSM 对气候变化的反应，如二氧化碳、臭氧、氮沉降、高温和干旱的增多，以及不同因素的组合。这些反应非常复杂，取决于胁迫剂量、持续时间和代谢物类别。研究人员确定了气候变化影响PSM生产的生态学和分子学机制。虽然这些观察结果使我们窥见了PSM 对气候变化的反应及潜在调控机制，但要全面了解这些机制还需要进一步开展大量研究。

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光照、萜类化合物和植物质量

可控环境农业（controlled environment agriculture）利用光照来影响萜类化合物的生产、提高植物质量。来自荷兰瓦赫宁根大学（Wageningen University）的Iris F. Kappers团队发表综述论文， 讨论了光照对不同植物器官萜类化合物生产的各种重要调节作用。光谱质量主要改变萜类化合物的分布，而光照强度和光周期则影响萜类化合物的丰度。在紫外线、红光和蓝光下，光信号转导的核心调节因子HY5（elongated hypocotyl 5）控制着萜类化合物的转录调节。红光和绿光的比例越大，对单萜和倍半萜生物合成的正向影响就越大，而这种影响可能取决于蓝光的存在。大部分红光不利于四萜的生产。研究人员得出结论：光照是一种很有前景的工具，不仅可以引导萜类化合物的生产，还有望调节植物质量。

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紫色的向往：番茄科果实的花青素生物合成

过去十年，针对番茄科植物果实中花青素合成的特征研究取得了进展。激活花青素合成过程的基因组要素已经明确了，为了解这些物种的花青素合成途径奠定了基础。来自意大利比萨圣安娜高等研究学院（Scuola Superiore Sant’Anna）的Pierdomenico Perata和Silvia Gonzali团队发表综述论文，探讨了迄今为止已阐明的遗传机制，并详细介绍了番茄的各种野生近缘种。在从绿紫色番茄到黄色和红色番茄的进化过程中，番茄的许多祖先性状可能丢失了，这些近缘种对于番茄祖先性状的恢复至关重要。这些知识应有助于制定战略，以基因组编辑和育种技术为基础，进一步提高市售商业番茄品系的地位。

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药用植物的空间多组学：从生物合成途径到工业应用

随着分子测序和成像技术的飞速发展，药用植物多组学进入单细胞时代。来自西北大学的岳明（Ming Yue）团队发表文章，探讨了空间多组学在药用植物中的应用，评估了特殊产物的生物合成途径，并重点介绍了天然产物（natural product）生物制造的应用、前景和挑战。

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SOD-GIF-FIT 模块控制植物器官大小和铁吸收

植物器官的生长受各种内部和外部因素的控制，但学界对于协调植物器官生长和养分平衡的潜在分子机制，依然所知甚少。最近，Zheng 等人发现了控制拟南芥（Arabidopsis thaliana）器官大小和铁吸收的关键调控因子 SOD7（da1-1 抑制因子）和 GIF1（GRF-INTERACTING FACTOR1，GRF相互作用因子1），来自印度科学教育与研究学院（Indian Institute of Science Education and Research）的Santosh B. Satbhai团队发表文章，对此进行了回顾。

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独脚金内酯-NSP1/NSP2机制在作物改良中的潜力

独脚金内酯（strigolactones）对于植物应对磷酸盐缺乏至关重要。Yuan等人最近的一项研究揭示了遗传模块PHR2/NSP1/NSP2对于改善水稻的钾氮平衡，以及在无机磷酸盐缺乏条件下，激活独脚金内酯生物合成和信号传导的重要性，来自墨西哥国立自治大学（Universidad Nacional Autónoma de México）的Oswaldo Valdés-López团队发表文章，对该研究进行了回顾。

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培育兼顾营养和产量的有色稻米

来自扬州大学的杨泽峰（Zefeng Yang）团队发表文章，回顾了Sedeek 等人近期发表的一项研究，该研究提供了多组学资源，阐述了营养丰富的有色水稻的遗传多样性、代谢物、元素组成以及通过基因组编辑技术改良农艺性状的可能性。这将为未来的水稻育种计划提供指导，以兼顾最佳农艺性状与优良营养品质。

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芳香族氨基酸平衡中VAS1 介导的氮重组

芳香族氨基酸是合成蛋白质和多种植物天然产物的必需物质，但人们对植物如何维持芳香族氨基酸平衡知之甚少。Wu 等人报告说，氨基转移酶VAS1通过将芳香族氨基酸中的氮转移到非蛋白源氨基酸（3-羧基酪氨酸和 3-羧基苯丙氨酸）中，在芳香族氨基酸平衡中发挥作用，来自威斯康辛大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison）的Hiroshi A. Maeda团队发表文章，对该研究进行了回顾。

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