羟基肉桂酰辅酶A-莽草酸/奎宁酸羟基肉桂酰转移酶CtHCT061可促进红花（Carthamus tinctorius L.）的木质素生物合成并提高其耐旱性

《Industrial Crops and Products》：Hydroxycinnamoyl-CoA shikimate / quinate hydroxycinnamoyl transferase CtHCT061 enhances lignin biosynthesis and drought tolerance in safflower ( Carthamus tinctorius L.)

沙棘木酚素转移酶基因CtHCT061通过增强木酚素合成、减少氧化损伤和提升渗透调节能力，显著提高抗旱性。研究采用基因表达谱分析、过表达和病毒诱导基因沉默技术，发现CtHCT061在根茎部特异性表达，其蛋白具有BAHD酶典型结构域和双细胞定位特征。过表达CtHCT061使木酚素含量增加30%-40%，促进CtCCR和CtCAD关键酶表达，同时降低MDA和H2O2水平，提升脯氨酸积累量达45%。而基因沉默则导致木酚素合成受阻、氧化损伤加剧和渗透调节能力下降。该研究首次明确CtHCT061在沙棘抗旱中的核心调控作用，为作物抗旱育种提供新靶点。

　　植物在面对环境压力时，如干旱、寒冷、盐碱和有毒金属等，其生理功能常受到严重影响。这些环境压力不仅破坏植物的正常生长发育，还对农业生产造成威胁。干旱是其中一种尤为严重的环境压力，尤其在全球变暖的背景下，其影响更加显著。为应对干旱等逆境，植物进化出一系列复杂的防御机制，包括改善根系结构、增强抗氧化反应以及提升渗透调节能力。此外，加强次生细胞壁，特别是通过增强木质素沉积，已成为提高植物抗旱能力的重要策略。木质素是植物细胞壁中的一种关键成分，它不仅赋予细胞壁机械强度和疏水性，还在缺水条件下保护维管束组织的完整性。近年来，研究表明增加植物中的木质素含量可以有效提升其抗旱能力。

木质素是仅次于纤维素的第二大天然聚合物，是一种无定形的酚类生物聚合物，由苯丙烷前体合成而来。它主要由三种关键的单木质素单元构成：对羟基苯基（H）、愈创木基（G）和香豆基（S）。木质素的合成和整合到植物的次生细胞壁基质中，使植物能够在水分不足的情况下维持其结构稳定性。同时，木质素对于水分和矿物质在维管束中的运输至关重要。此外，许多研究发现，木质化的维管束组织不仅对水分运输有重要作用，还在干旱后恢复过程中发挥辅助作用。

在植物的木质素生物合成途径中，羟基肉桂酰辅酶A水杨苷/奎宁酸羟基肉桂酰转移酶（HCT）是关键调控酶之一。HCT通过调节其基因表达和催化能力，控制木质素生物合成的流量。HCT属于BAHD酰基转移酶家族的V类，最早由St-Pierre和De Luca于2000年报道。该家族的大多数成员具有两个保守的序列模体：HXXXD，与底物结合相关，以及DFGWG，与结构稳定性有关。这些模体在HCT的功能中起着重要作用。

本研究以芝麻（Carthamus tinctorius L.）为对象，利用其表达图谱中包含的79个HCT基因，分析了特定CtHCT基因在木质素生物合成和抗旱响应中的作用。通过研究其在不同组织和发育阶段的时空表达模式，我们鉴定出一个候选基因CtHCT061，其编码的BAHD酰基转移酶包含保守的HXXXD和DFGWG模体。进一步通过农杆菌介导的过表达实验，我们发现CtHCT061在拟南芥中显著增强了抗旱能力，具体表现为降低丙二醛（MDA）和过氧化氢（H?O?）含量约35%和40%，同时增加脯氨酸积累约45%。在芝麻中，CtHCT061的瞬时过表达也表现出增强抗旱能力，包括提高木质素含量（约30–40%）和上调关键木质素生物合成基因（如CtCCR和CtCAD，分别上调约8倍和9倍），同时缓解氧化应激并增加脯氨酸积累。相反，通过病毒诱导基因沉默（VIGS）方法抑制CtHCT061的表达，则导致CtCCR和CtCAD转录水平下降超过60%，木质素积累减少约35%，并导致植株生长受阻，这突显了CtHCT061在调控抗旱性中的关键作用。

本研究发现，CtHCT061在芝麻的根和茎中表达显著，这表明该基因可能在木质素沉积的关键结构部位发挥作用。这种时空表达的差异与在其他物种中发现的部分HCT基因的器官特异性表达相似，可能反映了该基因家族在不同组织和发育阶段的功能分化。通过生物信息学和结构分析，我们进一步确认了CtHCT061的典型特征，包括完整的BAHD模体、与已知HCT酶一致的三维结构模型，以及与其他V类酰基转移酶的进化关系。值得注意的是，CtHCT061的亚细胞定位实验表明，该蛋白同时定位于质膜和细胞核，这与桃中PpHCTs的双重定位一致，但与高粱中ZjHCT4的细胞质定位不同。这些结果提示CtHCT061可能在代谢通道和转录调控之间发挥双重作用，尤其是在应对干旱等逆境时。

功能性验证进一步证明了CtHCT061在调控木质素积累和抗旱能力中的作用。在拟南芥中，过表达CtHCT061的转基因植株表现出更强的抗旱能力，具体表现为氧化应激标志物（MDA和H?O?）的显著减少，以及渗透调节物质（如脯氨酸）的积累增加。这些结果支持了木质素强化细胞壁以减少细胞脱水和机械损伤的假设，同时说明次级氧化平衡的调整进一步增强了胁迫保护能力。在芝麻中，CtHCT061的瞬时过表达也产生了类似的结果：植株表现出更高的木质素沉积，关键木质素合成基因CtCCR和CtCAD的表达显著上调，同时在干旱条件下表现出更佳的生理反应。相反，通过VIGS方法抑制CtHCT061的表达，则导致植株生长受阻、木质素相关基因表达下调以及木质素含量显著降低。这些结果强调了HCT基因不仅在催化方面表现出功能分化，还在转录调控和胁迫响应中发挥不同作用。

本研究提供了三个重要的见解。首先，芝麻基因组中存在一个扩展且多样的HCT基因家族，这一现象与其他物种的复杂性相似，提示可能经历了新的功能分化事件。其次，CtHCT061在结构组织中特异性表达，并且定位在质膜和细胞核，这与它在代谢和胁迫信号之间的调控作用相一致。第三，通过在拟南芥和芝麻中进行的功能分析，我们发现CtHCT061在促进木质素沉积、增强渗透调节和减轻氧化损伤方面发挥重要作用。这种双重的分子-生理作用可能解释了为什么CtHCT061的沉默不仅导致发育缺陷，还显著降低抗旱能力。综上所述，我们的研究结果表明CtHCT061是芝麻抗旱性的重要调控因子，它连接了木质素生物合成与抗旱适应。本研究不仅加深了我们对HCT基因家族功能的理解，还为芝麻及其他油料作物的代谢工程和育种策略提供了潜在的基因靶点。未来的研究应进一步解析CtHCT061的下游靶标和调控因子（如转录因子和翻译后修饰物），并验证其在不同品种和田间条件下的表现，以确保其在农业应用中的可行性。