生熱植物通過短時(shí)間內(nèi)爆發(fā)式釋放熱能維持花部適宜溫度，進(jìn)而顯著提升受精與結(jié)實(shí)效率，其背后線粒體能量代謝的精密調(diào)控機(jī)制，一直是植物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，由于線粒體的復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性，這種短時(shí)間高強(qiáng)度生熱過程中的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)解析，一直是領(lǐng)域內(nèi)的研究瓶頸。

近日，北京林業(yè)大學(xué)王若涵教授團(tuán)隊(duì)針對這一核心瓶頸持續(xù)攻關(guān)，在植物學(xué)權(quán)威期刊Plant Biotechnology Journal在線發(fā)表了題Multi-omics Combined with Mitochondrial Feeding Assays Reveal a Novel Energy Metabolism Strategy for Floral Thermogenesis in Magnolia Driven by Synergistic Supply of Multiple Substrates的研究論文。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性構(gòu)建 “線粒體飼喂 + 同位素示蹤 + 多組學(xué)” 整合技術(shù)體系，成功揭示了玉蘭（Magnolia denudata）開花生熱過程中丙酮酸 “雙通路協(xié)同” 供能新機(jī)制，顛覆了植物學(xué)領(lǐng)域?qū)Ρ岽x的傳統(tǒng)認(rèn)知，更為解析樹木能量代謝高效轉(zhuǎn)換機(jī)制提供了全新方法參考。

核心突破：丙酮酸“雙通路協(xié)同”供能新機(jī)制顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知

丙酮酸作為細(xì)胞呼吸關(guān)鍵中間產(chǎn)物，是植物產(chǎn)熱的核心“燃料”。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，植物線粒體中的丙酮酸主要依賴線粒體丙酮酸載體（MPC）從細(xì)胞質(zhì)運(yùn)輸進(jìn)入，而 NAD - 蘋果酸酶（NAD-ME）介導(dǎo)的線粒體內(nèi)丙酮酸合成僅為 “應(yīng)急途徑”，僅在 MPC 功能受損時(shí)啟動(dòng)。

研究通過高分辨紅外成像聯(lián)合同位素標(biāo)記線粒體飼喂實(shí)驗(yàn)體系發(fā)現(xiàn)：玉蘭開花生熱高峰期，MPC 介導(dǎo)的胞質(zhì)丙酮酸輸入與 NAD-ME 介導(dǎo)的線粒體內(nèi)丙酮酸合成形成“雙通路協(xié)同”模式，共同支撐高強(qiáng)度產(chǎn)熱需求。巧妙的是，當(dāng)雙通路協(xié)同作用時(shí)，NAD-ME 來源的丙酮酸對三羧酸（TCA）循環(huán)的貢獻(xiàn)顯著高于 MPC途徑，這一發(fā)現(xiàn)不僅打破了以往對丙酮酸代謝的傳統(tǒng)認(rèn)知，更填補(bǔ)了植物短時(shí)間高強(qiáng)度生熱代謝調(diào)控機(jī)制的研究空白。

圖 1 線粒體飼喂示蹤解析MPC與NAD-ME來源丙酮酸對TCA循環(huán)貢獻(xiàn)

代謝交響曲：多底物巧妙聯(lián)動(dòng)支撐爆發(fā)式產(chǎn)熱

除丙酮酸代謝的創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)外，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析了產(chǎn)熱高峰期的 “多底物協(xié)同供能網(wǎng)絡(luò)”：糖酵解、三羧酸（TCA）循環(huán)、氧化磷酸化等核心能量通路關(guān)鍵基因被顯著激活；50% 的ATP合酶基因顯著下調(diào)，暗示玉蘭產(chǎn)熱時(shí)會(huì)主動(dòng)“犧牲”部分ATP合成，將能量分配重心向“熱量釋放”傾斜，這與產(chǎn)熱期交替氧化酶（AOX）的高表達(dá)形成協(xié)同，共同將能量以熱量形式高效釋放。

靶向脂質(zhì)組分析顯示，產(chǎn)熱期 63.6% 的脂肪酸含量顯著下降，甘油三酯（TG）快速降解；同時(shí)，脂肪酸 β- 氧化通路關(guān)鍵酶基因高表達(dá)，表明脂肪酸可通過 β- 氧化生成乙酰 - CoA 匯入 TCA 循環(huán)。此外，丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶（AlaAT）和谷氨酸脫氫酶（GDH）基因的上調(diào)，進(jìn)一步揭示氨基酸可通過轉(zhuǎn)氨基、脫氨基作用轉(zhuǎn)化為 TCA 循環(huán)中間產(chǎn)物。最終形成“碳水化合物 - 脂肪酸 - 氨基酸” 多底物聯(lián)動(dòng)供能模式，為爆發(fā)式產(chǎn)熱提供充足能量保障。

圖 2 玉蘭生熱時(shí)多來源底物協(xié)同供應(yīng)模式

綜上，該研究創(chuàng)新構(gòu)建 “線粒體飼喂 + 同位素示蹤 + 多組學(xué)” 整合技術(shù)體系，不僅完整解析了植物產(chǎn)熱的多底物協(xié)同調(diào)控機(jī)制，打破了傳統(tǒng)單一底物研究的壁壘，更為解析樹木復(fù)雜能量調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了普適性技術(shù)方案，同時(shí)為模式與非模式植物能量代謝研究奠定了可復(fù)用的方法學(xué)參考。

北京林業(yè)大學(xué)在讀博士研究生王思?xì)J為第一作者，王若涵教授為通訊作者，課題組多名研究生參與研究。本研究得到國家自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)支持。

http://doi.org/10.1111/pbi.70479

作者簡介：

通訊作者：王若涵，北京林業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。致力于植物生長發(fā)育及能量代謝調(diào)控，種質(zhì)資源篩選保護(hù)及應(yīng)用等方面研究，創(chuàng)新性成果發(fā)表在《Plant Physiology》、《Plant Biotechnology Journal》、《Plant Journal》、《Plant Cell & Environment》及《中國科學(xué)-生命科學(xué)》、《科學(xué)通報(bào)》等國內(nèi)外知名學(xué)術(shù)期刊。主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，國家“十三五”及“十四五”重點(diǎn)研發(fā)課題等國家級(jí)項(xiàng)目，撰寫國家級(jí)規(guī)劃教材及著作3部，授權(quán)發(fā)明專利多項(xiàng)。創(chuàng)制木蘭科樹種種質(zhì)高效篩選及繁育技術(shù)，在北京、廣東、貴州、河北等省市數(shù)家企業(yè)推廣應(yīng)用，取得了顯著的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，研究成果獲北京市優(yōu)秀青年科技論文一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)稱號(hào)，入選北京高?！扒嗄暧⒉庞?jì)劃”。

第一作者：王思?xì)J 在讀博士