紫花苜蓿肉桂酸4-羟化酶（MsC4H）调控自毒物质东莨菪内酯生物合成的分子机制

为解决紫花苜蓿连作障碍中自毒物质积累的关键问题，甘肃农业大学草地生态系统教育部重点实验室团队通过多组学联合分析，首次揭示肉桂酸4-羟化酶（MsC4H）正向调控关键香豆素类自毒物质东莨菪内酯（scopoletin）的生物合成，为培育低自毒性苜蓿新品种提供分子靶点。

　　

紫花苜蓿作为全球最重要的豆科牧草之一，其高蛋白含量和生态价值备受推崇。然而，长期连作导致的"自毒效应"成为制约产业发展的瓶颈——植株分泌的次生代谢物抑制自身后代生长，造成产量锐减。其中，香豆素类化合物被证实是核心自毒物质，但调控其合成的分子机制始终是未解之谜。

甘肃农业大学研究团队以高自毒品种"陇中"和低自毒品种"WL656HQ"为材料，通过生理生化-转录组-代谢组联合分析，首次锁定肉桂酸4-羟化酶（C4H）为调控关键香豆素东莨菪内酯合成的核心靶点。研究发现，MsC4H通过催化肉桂酸转化为对香豆酸，推动苯丙烷代谢途径下游反应，其表达水平与东莨菪内酯含量呈显著正相关。该成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，为分子设计育种破解连作障碍提供了理论基石。

研究采用酶活检测、亚细胞定位、转基因功能验证等技术手段，结合双品种比较转录组学和靶向代谢组学分析。通过构建MsC4H过表达和RNAi转基因株系，证实该基因直接调控C4H酶活性和东莨菪内酯积累水平。

关键结果

1. 生理指标差异：高自毒品种PAL、C4H、BGLU酶活性显著高于低自毒品种，而4CL活性呈现相反趋势，暗示C4H在香豆素合成途径中的特异性作用。
2. 代谢物鉴定：从723种酚类物质中筛选出53种香豆素，其中东莨菪内酯等17种存在显著品种差异，其积累与C4H活性密切关联。
3. 基因功能解析：MsC4H定位于内质网，过表达使东莨菪内酯含量提升32.4%，RNAi株系则下降28.6%，直接证实其正向调控作用。
4. 调控网络构建：发现bHLH（MS.geng025894）和MYB-related（MS.gene22755）转录因子可能协同MsC4H调控香豆素合成通路。

这项研究首次绘制了紫花苜蓿香豆素生物合成的分子路线图，突破性地证实MsC4H是调控东莨菪内酯合成的关键限速酶。不仅填补了植物自毒作用机制的理论空白，更为分子标记辅助育种提供了精准靶标——通过调控C4H表达可定向选育低自毒新品种，这对保障牧草安全生产和生态可持续性具有重大实践价值。团队提出的"苯丙烷代谢途径-香豆素分支-自毒效应"调控模型，为其他作物连作障碍研究提供了范式参考。