《Environmental and Experimental Botany》：Lettuce (
Lactuca sativa) laticifers: an integrated hub for rubber biosynthesis, ascorbate metabolism, and stress signaling
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天然橡胶（天然橡胶，cis-1,4-聚异戊二烯）是一种具有重大工业和经济价值的战略性资源。乳汁管细胞（laticifers）作为一类高度特化的植物细胞，是橡胶生物合成与贮藏的唯一场所。尽管产胶植物分布于约20个科（涵盖近900属、12,500种），但其中仅有少
天然橡胶（天然橡胶，cis-1,4-聚异戊二烯）是一种具有重大工业和经济价值的战略性资源。乳汁管细胞（laticifers）作为一类高度特化的植物细胞，是橡胶生物合成与贮藏的唯一场所。尽管产胶植物分布于约20个科（涵盖近900属、12,500种），但其中仅有少数物种能够合成具有商业价值的高分子量（>1×106 Da）聚异戊二烯。巴西橡胶树（Hevea brasiliensis）是主要商业来源，而莴苣（Lactuca sativa）因其与橡胶树相似的橡胶生物合成途径，已成为研究产胶植物的有价值的模式系统。研究人员假设莴苣乳汁管作为一个整合的代谢枢纽：橡胶生物合成与抗坏血酸（ascorbic acid, AsA）代谢在此汇聚，以提供抵抗氧化应激的氧化还原缓冲能力，且这种协调受茉莉酸（jasmonic acid, JA）/脱落酸（abscisic acid, ABA）信号及泛素-蛋白酶体系统调控。为验证该假设，研究人员对五种组织（乳汁、根、茎、叶、花）进行了整合的转录组学、酶活性及代谢组学分析。研究结果显示，乳汁管确实发挥着整合代谢枢纽的功能，甲羟戊酸（mevalonate, MVA）途径驱动的橡胶生物合成与活跃的抗坏血酸代谢同时发生，后者是已知的缓解氧化应激的抗氧化系统。此外，研究还表明泛素-蛋白酶体系统发挥调控作用，MYC2整合JA/ABA信号以协调橡胶生产与逆境适应。这些发现为理解乳汁管的功能特化提供了见解，并确定了在园艺作物中提高逆境韧性和橡胶产量的潜在靶点。
**一、研究背景与科学问题**
天然橡胶（natural rubber, cis-1,4-聚异戊二烯）是一种具有重大工业和经济价值的战略性资源，其生物合成与贮藏严格局限于乳汁管细胞（laticifers）——一类高度特化的植物细胞。尽管产胶植物广泛分布于约20个被子植物科中，但仅有极少数物种（不足2%）能合成分子量超过1×10
6 Da的高质量聚异戊二烯，这是商业利用的关键前提。巴西橡胶树（Hevea brasiliensis）凭借优异的产量和品质成为主要商业来源，但对其橡胶生物合成途径的深入研究仍面临代谢网络不清、胁迫条件下产胶调控机制不明等问题。莴苣（Lactuca sativa）因与橡胶树共享相似的橡胶生物合成途径，且具备遗传可操作性（如CRISPR/Cas9突变体创制），已被确立为研究产胶植物的模式系统。然而，莴苣乳汁管的整体代谢图谱仍 largely unexplored，特别是橡胶生物合成如何与逆境适应相互衔接、乳汁管特异性代谢受何种调控机制支配等关键问题尚未阐明。
**二、研究内容与总体结论**
研究人员提出了一个工作假说：莴苣乳汁管构成一个整合的代谢枢纽，橡胶生物合成与抗坏血酸（ascorbic acid, AsA）代谢在此汇聚，形成抵御氧化应激的氧化还原缓冲系统，并由茉莉酸（jasmonic acid, JA）/脱落酸（abscisic acid, ABA）信号和泛素-蛋白酶体系统协同调控。通过对五个组织（乳汁、根、茎、叶、花）进行整合转录组学、酶活性测定和代谢物含量分析，研究证实了该假说。研究揭示了MVA途径驱动的橡胶生物合成与活跃的AsA代谢在乳汁管中协同发生，泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system, UPS）发挥潜在调控作用，MYC2转录因子整合JA/ABA信号以协调橡胶生产与逆境适应。这些发现为理解乳汁管功能特化提供了新框架，并鉴定了HMGCR、GGP、MYC2等可用于改良作物逆境韧性和橡胶产量的潜在靶点。
**三、关键技术方法概述**
研究使用栽培生菜（Lactuca sativa cv. Ninja），种子来源于卡尔加里大学Dae-Kyun Ro实验室，种植于中国热带农业科学院橡胶研究所试验站（海口，海南）。选取15株生菜，每5株合并为一个生物学重复，共3个重复。采集乳汁、花、叶、茎、根五种组织，乳汁通过新鲜切口直接收集冻存。主要技术包括：基于CTAB法和试剂盒提取总RNA后进行Illumina NovaSeq X Plus平台PE150双端测序；利用Trinity进行de novo组装，BLASTx比对六大公共数据库（Nr、GO、COG、Swiss-Prot、KEGG、Pfam）进行功能注释；DESeq2算法鉴定差异表达基因（differentially expressed genes, DEGs）；InterProScan与PlantTFDB进行转录因子预测；采用分光光度法测定AsA含量及GDP-甘露糖-4,6-脱水酶（GME）、GDP-L-半乳糖磷酸化酶（GGP）、L-半乳糖-1-磷酸磷酸酶（GPP）、脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）、单脱氢抗坏血酸还原酶（MDHAR）活性及ABA、JA、异戊烯基焦磷酸（IPP）含量和3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGCR）活性；外源喷施100 mg/L AsA后测定干胶含量（DRC）；qRT-PCR验证关键基因表达。
**四、主要研究结果**
**3.1 高通量RNA测序与组织特异性分析**
对五种组织各三个生物学重复进行RNA-seq，共获得107.6 Gb clean data，Q30均高于94%。主成分分析（PCA）显示乳汁样本与其它组织完全分离，排除交叉污染可能。乳汁管中检出27,715个基因，为五组织中最少，其中803个为乳汁特异性表达。差异分析共鉴定出6,940个DEGs（乳汁与其它四组织比较），其中3,307个上调、3,633个下调。
**3.2 功能注释与KEGG富集分析**
通过六大数据库交叉注释，共成功注释148,461个基因（79.88%）。GO富集显示乳汁上调基因富集于免疫响应激活、干燥及酸性化学物胁迫适应；下调基因主要关联生长素响应和物质运输。KEGG富集显示上调基因显著富集于泛素介导的蛋白水解、植物激素信号转导、萜类生物合成、泛酸和辅酶A生物合成以及抗坏血酸代谢途径；下调基因富集于生长相关途径如MAPK信号。
**3.3 乳汁管特异性通路**
**3.3.1 乳汁管特异性转录因子**
共鉴定2,457个转录因子归属46个家族，ERF家族最庞大。乳汁中检测到1,082个转录因子，其中119个显著上调、166个下调。JA信号关键调控因子MYC2（bHLH家族）在乳汁中表达量高出3.34~112.80倍，ABA信号关键因子ABI5（bZIP家族）亦显著上调，表明JA和ABA信号通路在乳汁管中高度活跃。
**3.3.2 天然橡胶生物合成**
泛酸和辅酶A生物合成途径（ko00770）是DEGs中最显著富集的KEGG类别，该途径为乙酰-CoA形成提供辅酶A，保障MVA途径稳定供应异戊烯基焦磷酸（IPP）。萜类骨架合成分析显示，乳汁中MVA途径16个基因上调2~356倍，而质体甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径被显著抑制。HMGCR基因家族中两个异构体呈乳汁特异性高表达，与酶活性升高一致。异戊烯基二磷酸异构酶（IDI）、橡胶延长因子（REF）、顺式异戊烯基转移酶（CPT）和CPT结合蛋白（CBP）均在乳汁中高表达。生化测定证实乳汁中IPP含量显著高于叶和茎。
**3.3.3 抗坏血酸代谢**
L-半乳糖途径全部五个酶基因在乳汁中上调1~38倍，GME、GGP、GPP活性显著升高。乳汁中AsA含量较叶和茎分别高244.13倍和324.43倍。再生循环酶MDHAR和DHAR在乳汁中高表达且活性显著增加，而氧化酶抗坏血酸过氧化物酶（APX）和抗坏血酸氧化酶（AO）表达较低或不变，超过50%的AO异构体受到抑制。外源喷施100 mg/L AsA后，乳汁干物质含量显著增加，表明增强抗坏血酸可利用性可促进乳汁管中橡胶积累。
**3.3.4 泛素-蛋白酶体系统**
泛素化机器组分中，5个E1酶在组织中普遍表达，而14个E2酶和23个E3连接酶中超过35%的E2亚家族（如UBE2A、UBE2D、UBE2H、UBE2N）及多个关键E3连接酶（SIAH、PIAS、RBX1、CUL1、EloB/C）在乳汁中差异表达。UBE2D亚家族是乳汁中表达量最高的E2酶。RING finger型E3连接酶中COP1、SIAH-1、PIRH2等显著上调，提示UPS参与调控乳胶代谢和激素信号。
**3.3.5 ABA和JA信号转导网络**
ABA信号通路中，6个ABRE结合因子（ABF）在乳汁中特异性表达，其中关键调控因子Lsat_1_v5_gn_9_111140（ABI5类）显著上调，乳汁中ABA含量显著高于叶和茎。JA信号通路中，4个MYC2类基因显著富集于乳汁，其中同源基因Lsat_1_v5_gn_4_32381表达差异最大。一个TGA4类转录因子同时参与JA和水杨酸（SA）信号通路。乳汁中JA含量亦显著高于叶和茎。
**3.4 qRT-PCR验证**
选取萜类生物合成、抗坏血酸代谢、泛素-蛋白酶体系统及ABA/JA信号通路相关基因进行qRT-PCR验证，结果与转录组数据高度一致，证实了RNA-seq结果的可靠性。
**五、讨论与结论**
讨论部分围绕四个主题展开。（1）天然橡胶生物合成是乳汁中的主要代谢活动：MVA途径在乳汁中显著上调而MEP途径被抑制，HMGCR作为限速酶活性显著升高，CPT、CBP、REF等核心酶基因高表达，证实碳流优先通过胞质MVA途径供给橡胶生产，与巴西橡胶树中的观察一致。（2）抗坏血酸代谢在乳汁中的特异性：AsA合成与再生在乳汁管中均高度活跃，AO的显著抑制和DHAR/MDHAR活性升高共同维持AsA库的还原状态。鉴于橡胶生物合成对ATP和NADPH的高需求以及创伤诱导的活性氧（ROS）爆发，共存的AsA代谢系统提供氧化还原缓冲以保护橡胶合成机器。外源AsA处理使乳汁干物质含量显著增加，进一步支持二者功能关联，但其机制基础尚需直接测定乳汁管中ROS水平加以验证。（3）泛素-蛋白酶体系统与乳胶代谢的关联：E2和E3酶在乳汁中的差异表达提示UPS通过靶向特定底物参与调控橡胶生物合成和激素信号传递，但具体E2-E3配对及其泛素化底物仍有待鉴定。（4）ABA和JA信号通路在乳汁中的不同功能：ABA和JA信号组分在乳汁中协同上调，MYC2作为关键整合节点连接两条通路，可能将橡胶生物合成与逆境适应耦联，实现次生代谢与应激信号的功能整合。
研究结论为：莴苣乳汁管发挥整合代谢枢纽的功能，MVA驱动的橡胶生物合成与活跃的抗坏血酸代谢在此汇聚，既支持橡胶生产又建立抵御氧化应激的氧化还原缓冲系统。抗坏血酸的合成与再生在乳汁管中均显著增强，泛素-蛋白酶体系统发挥潜在调控作用。MYC2整合JA和ABA信号，将橡胶生产与逆境适应耦联，实现次生代谢与应激信号的连接。这些发现为理解特化植物细胞如何协调代谢与逆境韧性提供了框架，并指出了HMGCR、GGP、MYC2等可用于未来创制耐受逆境的高产橡胶作物的特异靶点。超越农业应用层面，该研究将莴苣乳汁管定位为探究植物如何整合初生代谢与防御代谢以响应环境挑战的模式系统。
