New Phytol | 类胡萝卜素降解产物作为信号分子参与调控水稻中胚轴细胞伸长

类胡萝卜素（Carotenoids）广泛存在于植物的多种组织中，是花、果等器官呈色的关键天然色素。这类色素分子中含共轭双键，易发生氧化和光降解，产生多种具有生物活性的脱辅基类胡萝卜素（Apocarotenoids），这些脱辅基类胡萝卜素的生成主要依赖类胡萝卜素裂解双加氧酶（Carotenoid Cleavage Dioxygenases, CCDs） 的氧化裂解作用。CCDs 包括 NCEDs 与 CCD1、CCD4、CCD7、CCD8 等成员，其中 NCEDs 是 ABA 合成的关键酶，而 CCD4 在双子叶园艺作物中研究较多，通过降解C₄₀类胡萝卜素参与色泽调控。然而，CCD4 在单子叶植物中的酶学特性、降解产物及生物学功能仍不明确。水稻基因 LOC_Os12g24800 既被注释为 NCED2，也被称为 CCD4b，功能长期存疑，鉴定其真实身份对厘清单子叶植物 CCD4 的进化与功能具有重要意义。

近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学 Salim Al-Babili 团队与与华中农业大学郑雄杰课题组合作在 New Phytologist 上发表题为 “An Evolutionarily Diverged CCD4 Enzyme Negatively Regulates Mesocotyl Elongation in Rice” 的研究论文。该研究通过酶学表征与功能分析明确长期被误注释为 NCED2的水稻基因 LOC_Os12g24800 编码 CCD4，并揭示其介导一条新的脱辅基类胡萝卜素代谢通路，以负向调控细胞伸长，表明 CCD4 在单子叶植物中已演化出不同于双子叶植物的酶学特性与生物学功能。

过去不同研究中，LOC_Os12g24800 被分别标注为 NCED2 或 CCD4b，其功能长期存在混淆。该研究团队首先通过保守结构域分析，发现 LOC_Os12g24800  缺乏 NCED 家族成员的特征性基序14和15，但具备 CCD4 蛋白的典型结构特征。系统进化树分析进一步表明，该基因编码蛋白稳定位于 CCD4 亚家族，但在进化上已明显区别于双子叶植物 CCD4 成员，基于这一结果将其命名为 OsCCD4b。

通过体内（工程细菌）与体外酶活实验，团队探究了 OsCCD4b 的底物选择性与双键裂解位点，澄清其真实功能：该酶无法以 9′-cis-neoxanthin 为底物生成 ABA前体 xanthoxin（以拟南芥NCED2为阳性对照），且OsCCD4b 过表达材料中 ABA 含量并未发生变化，说明其不具备 NCED 的功能。相反，OsCCD4b 能以β-胡萝卜素和玉米黄质为底物，特异性裂解C7-C8双键，生成C₃₀与C₁₀两类脱辅基类胡萝卜素。为进一步夯实该酶活结果，研究人员利用烟草瞬时表达系统、柑橘愈伤稳定表达系统、以及水稻敲除与超表达株系进行多层次验证，均证实OsCCD4b的双键裂解位点及催化产物与上述结论一致，从酶学层面彻底排除了其参与 ABA 生物合成的可能性（图1）。

图1 水稻 CCD4b 的酶活鉴定

与拟南芥 CCD4 偏好产生 C13/C14 裂解产物不同，OsCCD4b 展现出单子叶植物特有的底物偏好与裂解模式，其表达量较低、酶活相对更弱，提示其功能可能更倾向于生成特定信号分子，而非全面参与色素降解。此前，已有研究通过 GWAS 与 QTL 分析表明，OsCCD4b 所在区域与水稻中胚轴长度高度关联。本研究在敲除 OsCCD4b 的水稻材料中也观察到中胚轴显著伸长，并且该表型在不同遗传背景的 CRISPR 突变体中均得到验证；相反，超表达 OsCCD4b 则导致水稻中胚轴变短。

鉴于 C₁₀ 类胡萝卜素裂解产物在根系发育中被证实具有信号分子作用，研究人员推测 CCD4b 的氧化裂解C₁₀产物 3-OH-β-cyclocitral 可能参与调控中胚轴发育。由于 β-cyclocitral 挥发性强且含量低，实验选用稳定性更高的 3-OH-β-cyclocitral 进行外源处理。结果显示，仅 20µM 的 3-OH-β-cyclocitral 即可显著抑制中胚轴伸长，抑制效果与 20µM 的 Karrikin 类似，且能部分恢复 ccd4b 突变体的表型。进一步通过对独脚金内酯和 Karrikin 不敏感突变体处理，证实该分子的作用独立于已知的独脚金内酯与 Karrikin 信号通路。细胞学观察发现，突变体中胚轴细胞长度增加，而外源施加 3-OH-β-cyclocitral 可部分恢复细胞伸长表型。转录组分析表明，该小分子可能通过影响糖代谢相关基因表达，进而调控细胞伸长过程（图2）。因此，CCD4b可能通过裂解类胡萝卜素产生C10信号分子，抑制中胚轴细胞生长，从而调控中胚轴长度。

图2 CCD4b敲除与超表达植株表型及3-OH-β-cyclocitral处理效果

综上所述，本研究明确证实 LOC_Os12g24800 的真实酶学身份和其在水稻中的发育功能。OsCCD4b 并非 NCED2，而属于 CCD4b 类酶，与双子叶植物中的 CCD4 相比，OsCCD4b 是一类具有 C7-C8 特异裂解特征的进化分化 CCD4 酶，其催化产生的 3-OH-β-cyclocitral 作为一种潜在的信号分子，可通过调控细胞伸长与糖代谢途径抑制中胚轴发育，且该作用独立于ABA、SL 和 KAR 等经典激素通路。

本工作不仅纠正了 LOC_Os12g24800 的错误注释，明确了单子叶植物 CCD4 在双键氧化裂解功能上的演化特异性，也进一步揭示：类胡萝卜素降解不仅是简单地影响色泽，更可作为潜在信号分子，参与调控植物细胞的生长发育过程。

本论文的共同通讯作者为沙特阿卜杜拉国王科技大学的 Salim Al-Babili 教授与华中农业大学的郑雄杰博士（贡献于CCD4酶活体系构建与脱辅基类胡萝卜素鉴定及代谢通路解析）。项目经费来源于 KAUST 的 baseline 资助以及 CRG2020 和 CRG2022 项目。

原文链接：

https:///10.1111/nph.70799

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期刊简介

New Phytologist 是一本国际期刊，致力于发表植物科学及其应用领域的杰出原创研究成果。本刊研究领域分为五大板块：生理学与发育、环境、植物-生物相互作用、进化以及变革性植物生物技术，涵盖主题从细胞内的微观过程延伸至全球环境变化的宏观层面。期刊由非营利组织新植物学家基金会（New Phytologist Foundation）所有，该基金会作为独立的慈善机构，以推动植物科学发展为宗旨。

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