植物如何在復(fù)雜環(huán)境中精準調(diào)控自身代謝，一直是植物生物學(xué)領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。尤其是苯丙烷代謝通路，它不僅決定植物的抗逆能力，也影響黃酮、木質(zhì)素和水楊酸等關(guān)鍵代謝物的合成。然而，一個長期未解決的問題是：當黃酮等代謝物積累過多時，植物如何快速“踩剎車”，避免代謝過載？

近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點實驗室、合成基因組學(xué)研究中心趙喬團隊在Science Advances發(fā)表了題為A dual role of Arabidopsis PAL nuclear localization infine tuning flavonoid biosynthesis的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)，苯丙烷通路關(guān)鍵酶Phenylalanine ammonia-lyase（PAL）不僅在細胞質(zhì)中催化類黃酮合成的起始反應(yīng)，還能通過磷酸化修飾進入細胞核，以雙重機制精準調(diào)控黃酮類化合物的合成總量。這項研究顛覆了“PAL僅為胞質(zhì)酶”的傳統(tǒng)認知，提出植物通過調(diào)控酶的亞細胞定位，實現(xiàn)代謝與轉(zhuǎn)錄雙重反饋調(diào)控的新機制。

當代謝酶進入細胞核：PAL的“第二身份”

PAL傳統(tǒng)上被認為定位于細胞質(zhì)，而本研究首次證實PAL不僅存在于胞質(zhì)中，還可顯著存在于細胞核中。該核定位具有動態(tài)可逆性：在UV-B輻射或高蔗糖處理誘導(dǎo)黃酮生物合成增強時，PAL在細胞核中富集；刺激解除后，其重新分布至胞質(zhì)。該過程不依賴新蛋白合成，提示PAL通過快速、可逆的亞細胞定位重分配參與代謝調(diào)控。

磷酸化開關(guān)：誰在推動PAL入核？

研究進一步發(fā)現(xiàn)，黃酮通路中間體Naringenin（NAR）可以誘導(dǎo)PAL發(fā)生磷酸化修飾。通過質(zhì)譜分析，研究團隊鑒定出關(guān)鍵磷酸化位點（S152、T153、S163）。當這些位點模擬持續(xù)磷酸化時，PAL持續(xù)定位于細胞核；當這些位點失去磷酸化能力時，PAL則無法響應(yīng)NAR進入細胞核。這說明，磷酸化是PAL入核的分子開關(guān)。這也提示，植物體內(nèi)可能存在一個尚未被鑒定的“黃酮信號感受-激酶模塊”，負責感知代謝狀態(tài)并驅(qū)動PAL轉(zhuǎn)位。

雙重剎車機制：空間隔離+轉(zhuǎn)錄抑制

PAL進入細胞核后，會發(fā)生什么？研究團隊揭示了一個精巧的“雙重負反饋”機制。PAL進入細胞核后，胞質(zhì)中有效酶濃度下降，整體酶活顯著降低；核內(nèi)PAL與MBW轉(zhuǎn)錄復(fù)合體核心組分TT8發(fā)生互作，破壞TT8與MYB75之間的結(jié)合，抑制CHS、CHI、F3H、FLS、DFR等黃酮關(guān)鍵基因表達。該機制形成了“代謝物誘導(dǎo)—PAL磷酸化—核轉(zhuǎn)位—雙重抑制”的負反饋環(huán)路，實現(xiàn)黃酮生物合成的精細調(diào)控。

圖3. PAL對類黃酮生物合成的動態(tài)調(diào)控模型

綜上所述，該研究首次揭示了PAL蛋白作為“代謝酶+信號整合器”的雙重身份，這一發(fā)現(xiàn)不僅改寫了人們對PAL蛋白功能的傳統(tǒng)認知，更提出了代謝酶核定位參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的新范式，為理解植物特殊代謝的精細調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了全新視角。

中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院博士生孫林慧、助理研究員楊自鳳及已出站博士后單曉彤（目前就職于東北師范大學(xué)）為該論文共同第一作者。中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點實驗室、合成基因組學(xué)研究中心趙喬研究員為該論文通訊作者，助理研究員王楠及博士生劉子樂也參與了數(shù)據(jù)分析與論文撰寫。研究過程中，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點實驗室、材料合成生物學(xué)研究中心高翔研究員和美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校谷楊楠教授給予了重要支持與專業(yè)指導(dǎo)。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz6970