Trends in Plant Science特刊丨强大的植物特异性代谢

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特异性代谢（specialised metabolism）是植物拥有的最为强大的能力，本期Trends in Plant Science特刊覆盖了与植物特异性代谢有关的一系列议题。植物会产生大量不以促进生长或繁殖为目的，而是发挥重要生物作用（如信号传递或保护）的代谢物，这些代谢物结构各异，种类估计在20~100万之间。迄今为止，其中许多作用及其内在机制依然有待研究。本期Trends in Plant Science特刊重点介绍了其中一些机制和代谢物的最新研究进展，例如封面研究所揭示的植物固醇在植物-微生物相互作用中的潜在作用。

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适可而止：特异性新陈代谢的反馈控制

近来有关植物新陈代谢的研究进展，强调了特异性代谢物（specialized metabolites）在调控生物合成网络相关基因表达方面的重要作用。来自美国普渡大学（Purdue University）的Ying Li团队发表观点文章，基于来自植物和其他生命界的现有证据，重点探讨了小分子介导的转录水平反馈调控的分子机制及其潜在作用模式，包括代谢物信号感知、传感器性质以及导致转录和转录后调控的信号转导机制。此外，研究人员还讨论了当前研究在确定小分子-蛋白质相互作用的发生、影响和定位方面所面临的挑战。进一步了解小分子控制的代谢通量将有助于在代谢工程中合理设计转录调控系统，以生产高价值的特异性代谢物。

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固醇：植物-微生物相互作用中的多面手

植物-微生物相互作用（Plant-microbe interactions, PMIs）受到一系列广泛机制的调节，而来自植物和微生物的固醇则以多种方式参与其中，包括伙伴间的识别、传导、沟通和（或）交换。PMI通过植物固醇生物合成相关基因的表达及其积累，调节植物固醇平衡。因此，PMI 的结局还包括质膜功能化事件（plasma membrane functionalization events）（植物固醇在其中起核心作用），以及激活参与细胞信号传导的固醇相互作用蛋白。来自法国勃艮第大学（University of Bourgogne）的Patricia Gerbeau-Pissot团队发表观点文章并指出，尽管（或许正是因为）固醇具备这样的多方面能力，我们很难确定其整体作用机制，不过探索固醇多样性、其定位以及对PMI结局影响的好方法，将有助于破译固醇在PMI中的关键作用。

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解码植物特异性代谢：新的机理认识

次生代谢物（secondary metabolite）的产生提供了生物和非生物胁迫抗性，使植物能够适应环境。这些代谢物的生物合成涉及到转录因子和调控元件之间的复杂相互作用，新出现的证据表明，染色质动态起着不可或缺的作用。来自中国科学院华南植物园的罗鸣（Ming Luo）团队发表综述论文，回顾了在不同情况下调控次生代谢物生物合成的关键转录因子和表观遗传调控因子。研究人员总结了拟南芥（Arabidopsis thaliana）模式物种的相关新兴技术和成果，并概述了可能在粮食、饲料、纤维、油料或工业作物植物中也起作用的调控方式。此外，研究人员重点阐述了实现基础知识从模式物种向非模式物种的有效转化，对于理解各种生态、农业和制药环境中次生代谢物生产的好处。

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木质素生物合成模型：通往可再生化学品的道路

植物生物质含有可转化为高附加值化学品、燃料和材料的木质素。对植物细胞木质素含量和组成进行精确的遗传操纵，可带来巨大的环境和经济效益。但木质素形成的调控机制错综复杂，这对开发具备特定木质素特征的作物提出了挑战。近来，学界利用数学模型和计算模拟获得了有关木质素和相关酚类化合物新陈代谢的基础洞见。来自湖北大学的饶晓兰（Xiaolan Rao）和来自美国密苏里大学（University of Missouri）Jaime Barros发表综述论文，讨论了植物代谢网络建模策略，重点关注了数学建模在单木质素生物合成通量网络分析中的应用。此外，研究人员还强调了如何克服当前挑战，以优化代谢建模方法在木质素工程植物开发中的应用。

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从气候变化视角看植物次生代谢

气候变化对生态系统和农业的影响是不可预测的。植物通过新陈代谢来克服这些挑战，而植物次生代谢物（plant secondary metabolites, PSM）是植物与环境相互作用的关键。因此，了解 PSM对气候变化的反应，对于未来的栽培和育种策略至关重要。来自江苏省中国科学院植物研究所的孙玉明（Yuming Sun）和来自德国马克斯·普朗克分子植物生理研究所（Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology）的Alisdair R. Fernie发表综述论文，回顾了 PSM 对气候变化的反应，如二氧化碳、臭氧、氮沉降、高温和干旱的增多，以及不同因素的组合。这些反应非常复杂，取决于胁迫剂量、持续时间和代谢物类别。研究人员确定了气候变化影响PSM生产的生态学和分子学机制。虽然这些观察结果使我们窥见了PSM 对气候变化的反应及潜在调控机制，但要全面了解这些机制还需要进一步开展大量研究。

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光照、萜类化合物和植物质量

可控环境农业（controlled environment agriculture）利用光照来影响萜类化合物的生产、提高植物质量。来自荷兰瓦赫宁根大学（Wageningen University）的Iris F. Kappers团队发表综述论文， 讨论了光照对不同植物器官萜类化合物生产的各种重要调节作用。光谱质量主要改变萜类化合物的分布，而光照强度和光周期则影响萜类化合物的丰度。在紫外线、红光和蓝光下，光信号转导的核心调节因子HY5（elongated hypocotyl 5）控制着萜类化合物的转录调节。红光和绿光的比例越大，对单萜和倍半萜生物合成的正向影响就越大，而这种影响可能取决于蓝光的存在。大部分红光不利于四萜的生产。研究人员得出结论：光照是一种很有前景的工具，不仅可以引导萜类化合物的生产，还有望调节植物质量。

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紫色的向往：番茄科果实的花青素生物合成

过去十年，针对番茄科植物果实中花青素合成的特征研究取得了进展。激活花青素合成过程的基因组要素已经明确了，为了解这些物种的花青素合成途径奠定了基础。来自意大利比萨圣安娜高等研究学院（Scuola Superiore Sant’Anna）的Pierdomenico Perata和Silvia Gonzali团队发表综述论文，探讨了迄今为止已阐明的遗传机制，并详细介绍了番茄的各种野生近缘种。在从绿紫色番茄到黄色和红色番茄的进化过程中，番茄的许多祖先性状可能丢失了，这些近缘种对于番茄祖先性状的恢复至关重要。这些知识应有助于制定战略，以基因组编辑和育种技术为基础，进一步提高市售商业番茄品系的地位。