小麦防御蛋白色氨酸脱羧酶通过调控TaMYB310连接色氨酸代谢与种子性状的新机制

《Plant Physiology》：Wheat defense-related protein tryptophan decarboxylase accelerates seed germination and alters pigmentation

本研究针对小麦籽粒色泽与发芽速度通常此消彼长的育种难题，揭示了防御相关酶AevTDC通过代谢重编程协调籽粒品质与生理性状的新机制。过表达AevTDC可激活TaMYB310转录因子，上调苯丙烷代谢通路（TaCHS、TaFLS等）促进花青素积累，同时通过抑制ABA信号通路（TaVP1、TaABI5等）加速种子萌发。该发现为多性状协同改良的小麦育种提供了新靶点。

　　

小麦作为全球最重要的主粮作物之一，养活了数十亿人口。随着人们生活水平的提高，对小麦品质的要求也越来越高，不仅关注产量，更注重营养品质和外观特性。其中，彩色小麦（如红色、紫色和蓝色小麦）因其富含酚类化合物和花青素等抗氧化物质，对人体健康具有积极影响而受到广泛关注。然而，小麦籽粒颜色的生化基础非常复杂，涉及受到严格调控的次级代谢产物生物合成，包括花青素和黄酮类化合物的生产，这些过程主要由MYB蛋白等转录因子网络控制。这些调控因子不仅驱动色素积累，还影响更广泛的激素平衡，调节种子休眠和胁迫响应等生理性状。近年来研究发现，其他代谢途径也可能影响色素生物合成。例如，色氨酸脱羧酶（Tryptophan Decarboxylase, TDC）作为一种参与血清素和褪黑素等吲哚衍生物形成的关键酶，已在多种植物中被证实与色素变化相关。

除了代谢功能，Aegilops variabilis来源的TDC（AevTDC）还是一种防御相关酶，在禾谷类作物抵抗线虫感染的早期免疫反应中被强烈诱导。其参与产生与病原体抗性相关的吲哚代谢物，暗示了一个更广泛的功能网络，其中防御相关代谢与小麦中的色素形成和种子生理相互交织。

在《Plant Physiology》杂志上，Zhang等人（2025）的研究表明，防御相关代谢基因AevTDC能够连接初级代谢与色素形成及小麦种子性能。通过过表达AevTDC（AevTDC-OE株系），作者证明转基因籽粒呈现出明显的红色，而植株保持正常的生长和产量特性。有趣的是，这些种子比野生型对照发芽更快，表明AevTDC活性同时影响色素沉着和早期种子发育。

转录组分析揭示了转基因株系中广泛的代谢重编程。近5,000个基因差异表达，色氨酸、苯丙氨酸和黄酮类生物合成途径显著富集。苯丙烷代谢途径的核心基因上调，代谢组学数据显示转基因籽粒中黄酮类和花青素水平升高。

值得注意的是，该研究鉴定出TaMYB310作为一个协调黄酮类生物合成的核心转录调控因子。基因表达分析显示，TaMYB310的表达与黄酮类途径中的多个基因紧密相关，突出了其关键调控作用。在授粉后5天，AevTDC-OE株系中该MYB转录因子的表达上调了近15倍。功能实验，包括酵母单杂交、双荧光素酶报告基因和电泳迁移率变动分析，证明TaMYB310直接结合TaCHS（查尔酮合成酶）和TaFLS（黄酮醇合成酶）的启动子区域，激活其转录。在小麦中过表达TaMYB310重现了在AevTDC-OE植株中观察到的代谢谱。此外，用外源血清素处理发育中的种子增强了色素积累，并诱导了TaMYB310及其下游黄酮类基因的表达，而抑制血清素生物合成则抑制了这些效应。这些发现共同证明，TaMYB310是连接血清素代谢与色素形成的正向调控因子。

除了色素沉着，AevTDC过表达还影响了种子生理。脱落酸（Abscisic Acid, ABA）和赤霉素水平没有变化，但ABA信号传导被强烈抑制。ABA受体基因如PYL和PP2C表达增加，而正向调控因子包括ABI5、FUS3和VP1则下调。这种转变表明ABA敏感性降低，可能导致了转基因种子中观察到的更快发芽。血清素的积累可能通过褪黑素介导的活性氧和氧化还原平衡控制间接影响ABA信号。这种相互作用可以解释深色籽粒颜色和更快发芽这两种通常被认为是拮抗性状的共存现象。

该研究强调了将血清素代谢与苯丙烷生物合成及ABA信号联系起来的深远意义。连接AevTDC、血清素和TaMYB310的调控模块展示了初级代谢中的单个酶步骤如何重编程次级代谢并影响发育过程。未来整合代谢组学、蛋白质组学和染色质可及性的研究将有助于阐明表观遗传调控层面，并评估这些性状在田间的稳定性。这些发现为开发具有改善营养品质、抗氧化能力和种子活力的小麦品种提供了机遇，这在气候变化和可持续农业背景下日益重要。

主要技术方法

本研究构建了AevTDC过表达（AevTDC-OE）转基因小麦株系，利用转录组学和代谢组学分析筛选差异表达基因和代谢物。通过酵母单杂交、双荧光素酶报告基因和电泳迁移率变动分析验证TaMYB310的转录调控功能，并采用外源血清素处理和抑制剂实验验证代谢物功能。种子生理表型通过发芽实验和激素信号通路相关基因表达分析进行评估。

研究结果

AevTDC过表达改变籽粒颜色和发芽特性

通过创建过表达Aegilops variabilis来源的色氨酸脱羧酶（AevTDC-OE）的转基因小麦株系，研究人员发现转基因籽粒呈现出明显的红色，同时种子发芽速度显著快于野生型对照。这表明AevTDC这一防御相关代谢基因同时影响小麦的色素积累和种子生理性状。

代谢重编程激活苯丙烷和黄酮类生物合成途径

对转基因株系进行转录组和代谢组分析发现，近5000个基因表达发生显著变化，色氨酸、苯丙氨酸和黄酮类生物合成通路显著富集。苯丙烷代谢途径核心基因表达上调，籽粒中黄酮类和花青素含量升高，从分子水平解释了籽粒颜色变深的原因。

TaMYB310是连接色氨酸代谢与色素合成的关键转录因子

研究鉴定出TaMYB310为黄酮类生物合成的核心调控因子，其在AevTDC-OE株系中表达上调近15倍。功能实验证实TaMYB310能直接结合黄酮合成关键基因TaCHS和TaFLS的启动子并激活其转录。过表达TaMYB310可重现AevTDC-OE的代谢表型，且外源血清素处理能诱导TaMYB310表达并促进色素积累，证明TaMYB310是连接色氨酸衍生代谢物（血清素）与色素合成的分子桥梁。

AevTDC通过调节ABA信号通路促进种子萌发

尽管内源ABA水平未变，但ABA信号通路在转基因种子中被显著抑制，表现为受体基因（PYL、PP2C）上调而正调控因子（ABI5、FUS3、VP1）下调，导致ABA敏感性降低。血清素积累可能通过影响褪黑素-活性氧平衡间接调控ABA信号，这解释了深色籽粒与快速发芽这两种通常拮抗的性状何以能够协同出现。

结论与意义

本研究系统揭示了防御相关酶AevTDC通过代谢重编程协同调控小麦籽粒品质和生理性状的新机制：一方面通过血清素-TaMYB310模块激活苯丙烷代谢促进花青素积累，改善营养品质；另一方面通过调节ABA信号敏感性加速种子萌发，提升播种活力。该发现突破了籽粒色泽与发芽速度难以兼得的传统育种瓶颈，为培育高产优质、抗逆性强的小麦新品种提供了重要的理论依据和基因资源。发表于《Plant Physiology》的这项成果对推进作物代谢工程与设计育种具有重要指导意义。