盐胁迫会激活高粱中的酪氨酸代谢以及与dhurrin相关的SbCYP79A1基因

《Plant Science》：Salt stress activates tyrosine metabolism and dhurrin-associated SbCYP79A1 in sorghum

　　

摘要

由于对家畜具有潜在毒性，高产、营养更丰富且更能抵御气候变化的饲料高粱难以被广泛用作玉米的替代品。虽然已有低浓度dhurrin的品种，但其在盐分环境下的安全性仍需进一步研究。本研究探讨了高粱中与dhurrin相关的毒性的分子机制，重点研究了酪氨酸代谢及dhurrin相关基因组学。我们在自交系RTx430中发现，中度盐分胁迫会使得酪氨酸代谢途径中的56个基因表达增加，其中包括编码上游酪氨酸N-单加氧酶的dhurrin特异性细胞色素。研究表明会通过促进dhurrin积累来增强毒性，并抑制植株生长。通过对编码序列的顺式启动子元件进行比较基因组分析，我们发现在多个酪氨酸代谢基因中存在高度保守的富含G碱基的区域，这些区域中还散布着胸腺嘧啶碱基，同时TATA框和CAAT框等顺式调控元件也较为丰富。而dhurrin特异性基因序列则保持典型的富含G碱基的结构，但胞嘧啶碱基含量更高，胸腺嘧啶碱基位置有所变化，且ABREH和G框顺式调控元件含量显著增加。综上，这些发现表明盐分胁迫会激活高粱的酪氨酸代谢及dhurrin相关的氰化物生成能力，同时也为未来降低盐分环境下饲料高粱毒性提供了依据。

引言

高粱（Sorghum bicolor (L.) Moench）是一种具有较强气候适应能力的作物，有望缓解粮食和饲料供应不足的问题（Tao等人，2021年）。其深而发达的根系、出色的水分利用效率以及较强的耐热性和耐旱性，使其成为人类食物的重要来源，同时也是盐分日益严重的环境中可替代玉米的优质饲料作物（Tadele，2019年）。尽管具备如此优势，但由于高粱对家畜具有潜在毒性，其作为饲料作物的大规模推广仍面临阻碍（Cruz等人，2025年）。这种毒性是由氰苷类物质dhurrin引起的，当高粱被捣碎或被家畜摄入后，植物内的酶会将其水解，进而产生氢氰酸（Gleadow和M?ller，2014年）。dhurrin的生物合成途径较为明确，它起源于氨基酸酪氨酸，这一过程由一系列酶催化：首先酪氨酸在酪氨酸氨基转移酶（TyrAT或TYA）的作用下脱氨，随后经过细胞色素P450单加氧酶和以及UDPG-葡萄糖转移酶的连续作用，最终生成dhurrin（Busk和M?ller，2002年）。当家畜摄入高粱后，肠道内的dhurrin会被水解，这对反刍动物而言危害极大，氰化物中毒会导致它们迅速死亡，给牧民和农民带来巨大经济损失（Vetter，2000年）。

已有研究表明存在dhurrin含量较低的商业高粱品种（Macolino等人，2024年）。虽然在适宜的生长条件下这些品种能够有效降低毒性，但它们通常并非为盐分环境而专门培育的（Cardoso等人，2018年）。这是因为即使在氢氰酸含量较低的品种中，生理干旱也会显著加剧dhurrin的积累，从而使得这些品种的防护作用失效（O’Donnell等人，2013年）。虽然干旱加剧dhurrin积累的现象已有较多研究，但盐分作为干旱和灌溉农业系统中日益重要的非生物胁迫因素，其影响目前仍研究不足。与仅导致水分胁迫的干旱不同，土壤盐分会引发离子失衡，进而加剧次生氧化应激（Zhao等人，2020年）。

要降低高粱的毒性，实现其在盐分环境中的安全种植，就必须深入了解与dhurrin胁迫相关的基因组学特征。由于盐分会引发水分胁迫，而dhurrin又会对此类条件作出反应，因此相关研究结果对于制定针对性的基因改良策略至关重要。我们的核心假设是，通过比较dhurrin特异性基因与上游酪氨酸生物合成途径中基因的基因组结构及盐分响应型转录调控机制，可以找到关键的顺式调控元件。这样就可以通过精准的启动子靶向CRISPR/Cas编辑技术，培育出适合盐分土壤种植的低毒性饲料高粱，同时避免可能干扰酪氨酸生物合成或dhurrin后续代谢的脱靶效应。

章节节选

植物材料

如Amombo等人（2024年）所描述，我们对14个本地品种、2个育种系、2个商业品种以及自交系RTx430的dhurrin积累程度进行了比较研究。这些高粱植株在温室中栽培，光照周期为12小时，昼夜温度分别为28/22摄氏度，相对湿度保持在55%左右，直到达到青贮收获期。我们选择RTx430作为功能基因组学研究的材料，因为它被广泛用作高粱基因组研究的模式株。种子

结果

RNA-seq分析显示，在两种实验条件下，测序的整体质量都相当高。盐分处理组的测序质量更为优异，经过质量筛选后，共有97.42%的读段（共62,864,054个读段）属于合格读段（见图1）。其余读段多为适配器相关序列，占比2.57%（1152,706个读段），含有模糊碱基的读段占比极低，仅为0.01%（6468个读段），而被判定为低质量的读段更是只有0.00%（6个读段）。对照组的情况也类似

讨论

本研究对盐分胁迫引发的高粱毒性机制进行了全面的基因组分析，结果表明中度盐分胁迫会显著增强酪氨酸代谢途径的活性，其中就包括dhurrin特异性细胞色素的表达上升。这一发现表明盐分胁迫、酪氨酸代谢活化以及dhurrin相关的氰化物生成能力之间存在密切关联。

根据我们的转录组数据，GSEA分析将酪氨酸代谢途径识别为

资金支持

本研究得到了穆罕默德六世理工学院（UM6P）、非洲珍稀作物联盟（AOCC）以及中国科学院-“一带一路”国家与国际科学组织联盟（CAS-ANSO-FA?2024–04）的支持。

利益冲突声明

作者声明存在以下可能被视为利益冲突的财务利益或个人关系：Erick AMOMBO表示曾获得穆罕默德六世理工学院的财政资助；他还表示曾得到加利福尼亚大学戴维斯分校的资助；此外他还称其差旅费用由国际科学组织联盟提供，中国科学院也为其提供了差旅支持。如果

致谢

我们要感谢澳大利亚牧草基因库的Jayne Wilson，她提供了少量的RTx430种质资源。同时，我们也感谢非洲珍稀作物联盟（AOCC）以及加利福尼亚大学戴维斯分校的非洲植物育种学院，他们提供的CRISPR技术培训极大地推动了本项研究的发展。

Erick Amombo|Souhayla Kodad|Zineb Imkis|Abdelaziz Nilahyane|Abdelaziz Hirich|Youssef El Kharrassi|Bouabid Badaoui|George Wanjala|Xie Yan|Dennis Ashilenje

非洲可持续农业研究所，穆罕默德六世理工学院（UM6P），摩洛哥拉尤恩市70000