钙信号通过能量代谢重编程协调紫外线B与NaCl复合胁迫下萌发大豆中异黄酮和GABA的积累

《Food Bioscience》：Calcium signaling coordinates isoflavone and GABA accumulation in germinated soybean under combined UV-B and NaCl stress via energy metabolism reprogramming

　　

摘要

异黄酮和γ-氨基丁酸（GABA）是大豆中重要的生物活性化合物，但其内源含量较低。虽然紫外B与氯化钠联合胁迫能促进其积累，但GABA的富集具有暂时性，在萌发后期受到限制。钙（Ca²⁺）信号在胁迫响应中发挥核心作用，然而其在联合胁迫下的调控功能尚不明确。本研究探讨了外源Ca²⁺如何调控紫外B与氯化钠联合胁迫下萌发大豆中异黄酮和GABA的积累。研究发现，3 mmol/L的外源Ca²⁺为最优浓度，与仅施加联合胁迫相比，使异黄酮含量提高8.29%，GABA含量提高26.60%，并恢复了萌发后期的GABA积累。从机制上看，Ca²⁺选择性增强了苯丙烷-异黄酮途径中的关键酶和蛋白质丰度，尤其是异黄酮合酶（IFS），并提高了GABA支路中谷氨酸脱羧酶（GAD）和氨基醛脱氢酶（AMADH）的活性。同时，Ca²⁺通过加速腺苷三磷酸（ATP）周转和增强呼吸酶活性改变了能量代谢，从而建立了高周转的能量状态以支持持续的代谢活动。Ca²⁺介导的钙调蛋白样蛋白基因上调为钙感受器的参与提供了分子证据。这些发现表明，Ca²⁺在协调胁迫信号、代谢途径激活和能量代谢以促进功能性化合物持续积累方面发挥着关键作用，为增强大豆基功能性食品中的生物活性化合物提供了实用策略。

引言

大豆（Glycine max L.）是生物活性化合物的优良来源，尤其是异黄酮和γ-氨基丁酸（GABA）。异黄酮具有雌激素样、抗肿瘤和心血管保护作用，而GABA则是一种具有抗焦虑和降压特性的抑制性神经递质（Hou等，2023；Liu等，2025；Bilal等，2025）。然而，这些化合物在生大豆种子中的内源含量相对较低，这限制了大豆基功能性食品的开发。萌发过程可激活内源酶并动员储存物质，从而为次生代谢物生物合成创造有利的代谢条件（Kathuria等，2024）。此外，萌发期间的可控非生物胁迫可触发植物防御反应并重新编程代谢途径，促进功能性化合物的积累（Zandalinas等，2020）。

钙（Ca²⁺）是植物细胞中的通用第二信使，可将环境信号传导为适当的细胞反应（Dodd等，2010；Kudla等，2010）。当受到胁迫暴露时，植物会表现出胞质Ca²⁺的快速、暂时性升高，这些信号由包括钙调蛋白（CaM）、钙调蛋白样蛋白（CMLs）和钙依赖蛋白激酶（CDPKs）在内的感受器解码，随后激活下游信号级联，从而调控基因表达和代谢途径（Reddy等，2011；Luan & Wang，2021）。Ca²⁺信号与能量代谢密切相关，因为线粒体Ca²⁺摄取可调节氧化磷酸化和ATP产生（Pathak & Trebak，2018），而Ca²⁺对呼吸酶的依赖调控则影响胁迫下的能量代谢效率（He等，2015）。此外，GABA生物合成中的限速酶谷氨酸脱羧酶（GAD）含有一个钙调蛋白结合域，可通过Ca²⁺-钙调蛋白复合物直接激活（Trobacher等，2013；Islam等，2024）。我们之前的研究表明，紫外B和氯化钠联合胁迫促进了萌发大豆中异黄酮和GABA的积累，转录组分析显示CML基因显著上调（Fang等，2025），表明Ca²⁺信号在这些条件下的代谢调控中发挥作用。然而，GABA的富集是暂时性的，在萌发后期受到限制，而Ca²⁺信号如何协调这两种代谢途径的机制仍未得到探索。此外，Ca²⁺在调节能量代谢以支持联合胁迫下功能性化合物持续积累方面的潜在作用尚未得到研究。因此，本研究旨在通过以下研究弥补这些知识空白：(i)外源Ca²⁺是否能恢复萌发后期的GABA积累；(ii)Ca²⁺对苯丙烷-异黄酮和GABA支路酶的选择性调控作用；(iii)Ca²⁺在重塑能量代谢以支持持续代谢活动中的作用。这些新发现使本研究与先前的研究区别开来，揭示了Ca²⁺信号在协调胁迫信号、代谢途径激活和能量代谢中起着至关重要的作用。

我们假设，外源Ca²⁺处理将通过增强苯丙烷途径活性进一步促进异黄酮积累，并通过钙调蛋白依赖的GAD激活恢复萌发后期的GABA积累。此外，我们提出Ca²⁺将重塑能量代谢并促进碳氮重新分配，以支持持续的防御代谢。因此，本研究旨在优化外源Ca²⁺浓度，研究Ca²⁺动态和CML表达，通过酶活性和基因表达阐明调控机制，并探索Ca²⁺在能量代谢和代谢重新分配中的作用。据我们所知，这是首次研究紫外B和氯化钠联合胁迫下萌发大豆中的Ca²⁺信号，将代谢、酶和转录组分析与能量代谢评估相结合，为增强大豆基功能性食品中生物活性化合物积累提供全面的机制见解和实用策略。

章节摘要

化学品和材料

大豆种子（Glycine max L.，品种NN603）购自国家大豆改良中心（中国南京），于2023年10月收获。种子在-20 °C下保存至使用。所有试剂均购自Sigma-Aldrich Corp.（美国密苏里州圣路易斯）、Fluorocem（北京百令威科技有限公司）和Solarbio（南京迈博浩诚生物科技股份有限公司）。异黄酮单体标准品、醋酸和乙腈均为高效液相色谱级

钙浓度筛选及钙信号对生长的调控

为了确定紫外B（10 μW/cm²，2 h/天）和氯化钠（5 mmol/L）联合胁迫下增强异黄酮和GABA积累的最优Ca²⁺浓度，将0、3、6和9 mmol/L的外源氯化钙施加于萌发的大豆上。如图1A所示，3 mmol/L Ca²⁺显著促进了主根伸长，与对照相比，而较高浓度（6和9 mmol/L）则逐渐抑制了根系生长并导致茎部褐变，表明过量的Ca²⁺

讨论

在自然生态系统中，植物经常同时暴露于多种环境胁迫，包括盐分和升高的紫外B辐射。这种联合胁迫通常引发协同效应，触发复杂的信号转导级联和代谢重新编程。作为关键的第二信使，Ca²⁺通过胞质游离Ca²⁺的快速暂时性升高将环境刺激转化为适应性细胞反应，从而调控与防御相关的

结论

本研究证明，外源Ca²⁺（3 mmol/L）增强了紫外B和氯化钠联合胁迫下萌发大豆中异黄酮和GABA的积累，同时恢复了萌发后期的GABA富集。从机制上看，我们的发现表明，Ca²⁺与苯丙烷-异黄酮途径（PAL、4CL、IFS）和GABA支路（GAD、AMADH）中关键酶的选择性调控有关，这通过转录上调和翻译后调控实现，尽管具体的

CRediT作者贡献声明

秦博文：写作——审阅与编辑，可视化。谢冲：写作——审阅与编辑。王培：写作——审阅与编辑。杨润强：写作——审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取。Muhammad Bilal：写作——初稿，可视化，软件，数据整理，概念构思。方石杰：写作——审阅与编辑，可视化，软件。姚志杰：写作——审阅与编辑

未引用参考文献

Baena-González和Hanson，2017；Li等，2022；Miyashita和Good，2008；Quinhone Junior和Ida，2014；Xu和Chang，2008。

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

数据可用性

如有需要，数据可提供。

利益冲突声明

作者声明他们在本研究中不存在利益冲突。我们声明我们没有任何与所提交工作相关的商业或关联利益，这些利益可能构成利益冲突。

本文不包含任何涉及人类或动物受试者的研究。

致谢

本研究得到了中国海南省自然科学基金（324CXTD427）和国家自然科学基金（32472261）的支持。

Muhammad Bilal|方石杰|姚志杰|秦博文|谢冲|王培|杨润强

南京农业大学三亚研究院，全谷物食品工程研究中心，南京农业大学食品科学与技术学院，江苏南京，210095，中华人民共和国