贯叶金丝桃（Hypericum perforatum L.）离体器官发生中生长素（IAA）与犬尿氨酸（KYN）代谢的相互作用

《Plant Science》：Auxin interacts with kynurenine metabolism during organogenesis in Hypericum perforatum L .

　　

犬尿氨酸（kynurenine, KYN）、犬尿喹啉酸（kynurenic acid, KYNA）和3-羟基邻氨基苯甲酸（3-hydroxyanthranilic acid, 3-HAA）是色氨酸（tryptophan, Trp）的代谢产物，在动物中已被充分表征为色氨酸分解代谢的主要途径。越来越多的证据表明该分解代谢途径也存在于植物中。研究人员的总体目标是建立一种生物测定系统，以研究植物离体根和芽器官发生过程中KYN途径代谢及其与吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid, IAA）的相互作用。研究人员假设KYN控制贯叶金丝桃（Hypericum perforatum L.）的形态发生。为验证该假设，研究人员首先使用先前验证的分析方法量化了根和芽中的KYN、KYNA和3-HAA，随后评估了外源IAA和KYN对离体芽和根器官发生的影响，并研究了哺乳动物KYN分解代谢两种主要酶的抑制剂（PF-04859989、RO-61-8048和KMO抑制剂II，JM6）改变植物形态发生和犬尿氨酸途径代谢物积累的潜力。数据显示，在贯叶金丝桃离体器官发生过程中，生长素与KYN之间存在显著的代谢串扰（metabolic crosstalk）。

研究背景方面，犬尿氨酸（KYN）、犬尿喹啉酸（KYNA）和3-羟基邻氨基苯甲酸（3-HAA）是色氨酸分解代谢的重要产物，在动物中研究充分，而植物中该通路的证据正在积累。贯叶金丝桃（Hypericum perforatum L.）既是药用植物和入侵物种，也是研究植物吲哚胺代谢的模式生物。植物器官发生受局部IAA合成、生长素运输和精确生长素梯度的组织特异性调控，色氨酸氨基转移酶（TAA1）是其中的关键调控点。KYN作为TAA1/TAR的竞争性抑制剂，可能影响IAA介导的形态发生，但KYN途径在植物器官发生中的作用及其与IAA的互作尚不明确。为此，研究人员建立了生物测定系统，以研究KYN途径代谢及其与IAA在离体根和芽器官发生中的相互作用，并假设KYN控制贯叶金丝桃的形态发生。

研究人员开展了系列实验：量化根和芽中KYN、KYNA和3-HAA的基础水平；评估外源IAA和KYN对离体器官发生的影响；检测人源KYN代谢酶抑制剂（PF-04859989、RO-61-8048、JM6）对植物形态发生和代谢物积累的作用。结果表明，KYN途径代谢物在根和芽中均存在且芽中浓度更高；IAA显著抑制生根并诱导矮化形态，而KYN增加节间长度和根数；外源IAA增加芽中KYN和3-HAA积累；外源KYN使根中KYNA大幅增加。这些发现揭示了生长素与KYN代谢之间存在显著的代谢串扰，提出了KYN在生长素稳态和器官发生中潜在作用的模型，为植物色氨酸代谢网络研究提供了新视角。

研究采用贯叶金丝桃（H. perforatum L.）无菌培养物作为实验体系，外植体取自6周龄芽培养物茎节段。实验以Murashige and Skoog（MSO）基础培养基添加Gamborg B5维生素、3%蔗糖和2.25 g L^-1 Phytagel。处理包括外源IAA、KYN以及KYN途径抑制剂JM6、PF-04859989和RO-61-8048单独或组合添加。代谢物采用超高效液相色谱-高分辨质谱（UHPLC-MS，Q-Exactive Orbitrap，加热电喷雾电离正离子模式）检测，使用Accucore Hypersil Gold PFP色谱柱。统计分析在R中完成，生根频率采用广义线性模型，处理间比较使用Dunnett对比和Tukey HSD检验。

**建立生物测定系统**：研究人员在无外源植物生长调节剂的MSO培养基上观察到离体根从头再生。10 μM IAA诱导愈伤组织形成、矮化形态和多芽，而10 μM KYN处理形态与对照一致；IAA与KYN抑制剂联合处理可部分逆转IAA的形态效应。统计分析显示，IAA显著降低生根频率至0.10 ± 0.06（对照为0.63 ± 0.08），KYN和抑制剂单用与对照无显著差异；KYN显著增加节间长度至0.64 ± 0.21 cm/节和根数至2.52 ± 0.94；IAA显著缩短最大根长。

**KYN途径代谢物存在于贯叶金丝桃根和芽中**：在MSO条件下，根和芽均检出KYN、KYNA和3-HAA，且芽中浓度显著高于根。芽中KYNA为247 ± 110 ng g^-1 FW，KYN为234 ± 52 ng g^-1 FW，3-HAA为462 ± 135 ng g^-1 FW；根中对应浓度分别为41 ± 4、98 ± 19和133 ± 38 ng g^-1 FW。

**KYN途径抑制剂JM6和RO增加组织中KYN积累**：UHPLC-MS检测证实PF-04859989、RO-61-8048和JM6均被植物组织吸收，且根中相对信号显著高于芽。RO-61-8048显著增加根中KYN至383 ± 123 ng g^-1 FW（对照98 ± 19）；JM6显著增加芽中KYN至823 ± 315 ng g^-1 FW和根中KYN至313 ± 84 ng g^-1 FW，并增加根中KYNA至127 ± 32 ng g^-1 FW；PF-04859989对植物KYN代谢影响较弱。

**外源KYN增加根中KYNA但不影响3-HAA**：外源KYN处理使根中KYNA从41 ± 4大幅增加至12,700 ± 2,300 ng g^-1 FW，而根中KYN和3-HAA无显著变化；芽中KYN从234 ± 52显著升至703 ± 266 ng g^-1 FW，但KYNA和3-HAA变化不显著。

**外源IAA增加芽中KYN和3-HAA浓度**：IAA处理使芽中KYN从234 ± 52升至656 ± 82 ng g^-1 FW，3-HAA从462 ± 135升至1,300 ± 200 ng g^-1 FW；IAA与JM6联合处理使芽中KYN进一步升至1,280 ± 200 ng g^-1 FW。根组织因IAA抑制根生长而取材受限，仅MSO和IAA/JM6处理有足够根组织用于检测，各代谢物差异未达显著水平。

讨论部分提出，KYN可能在生长素分解代谢和植物生长调控中发挥作用。外源KYN可能通过抑制TAA1/TAR依赖的内源IAA生物合成影响根器官发生。IAA处理后KYN和3-HAA积累增加，提示IAA分解代谢或氧化转化可能通过直接转化或负反馈调控TAA1贡献于KYN途径代谢物积累，但尚未证实直接代谢转化。研究提出一个生长素稳态模型，将IAA代谢、氧化转化与KYN途径整合在色氨酸衍生代谢网络中，并指出需结合同位素标记和IAA代谢物定量进一步验证。研究结论可翻译为：总之，这些研究支持一种生长素稳态模型，在该模型中，IAA代谢、氧化转化和KYN途径活性在贯叶金丝桃色氨酸衍生代谢网络中相互作用。该模型提出IAA分解代谢或氧化转化有助于KYN途径代谢物的积累。这一解释与外源IAA处理后KYN和3-HAA的增加一致，尽管目前的数据尚未建立直接的代谢转化。需要进一步研究以充分阐明植物生长中KYN与生长素之间的相互作用。