棉花是重要的經(jīng)濟(jì)作物之一。為抵御昆蟲取食和病原侵染等多種生物脅迫，棉花在長期進(jìn)化過程中形成高度復(fù)雜的化學(xué)防御體系。其中，萜類化合物作為關(guān)鍵特化代謝產(chǎn)物具有抗病蟲活性，在植物防御過程中發(fā)揮著重要作用。然而，棉花如何在分子層面控制萜類代謝流的組織特異性分配，以及如何在細(xì)胞外環(huán)境中實(shí)現(xiàn)代謝流的動(dòng)態(tài)重定向，仍是未解之謎。

近日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心黃金泉研究組，闡明了植物天然產(chǎn)物生物合成過程中代謝流空間重定向的分子機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，引導(dǎo)蛋白與醛酮還原酶可形成功能復(fù)合體、截流棉酚生物合成途徑的關(guān)鍵中間體半棉酚，并在棉花綠色組織中將萜類代謝流重定向生成半棉酚酮和殺夜蛾素。該代謝重定向機(jī)制可增強(qiáng)植物對多種生物脅迫的化學(xué)防御能力，為探討植物防御性代謝網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)調(diào)控奠定了新的理論基礎(chǔ)，并為作物抗病蟲育種及天然產(chǎn)物的代謝工程改良提供了新思路。

科研團(tuán)隊(duì)通過多組學(xué)整合分析，鑒定出GhDP1和GhAKR13D2兩個(gè)關(guān)鍵蛋白，它們在棉花綠色組織中協(xié)同調(diào)控萜類防御代謝流的重定向。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在氧化條件下，GhDP1與GhAKR13D2可協(xié)同催化半棉酚的羥基化反應(yīng)，生成中間體5-羥基-半棉酚，并經(jīng)自發(fā)氧化形成半棉酚酮。這一反應(yīng)途徑引導(dǎo)代謝流從棉酚合成轉(zhuǎn)向更具防御活性的半棉酚酮及其衍生物殺夜蛾素的生成。

功能研究表明，GhDP1敲除導(dǎo)致棉花無法再產(chǎn)生半棉酚酮和殺夜蛾素，卻在綠色組織中積累大量棉酚，因而對多種生物脅迫的敏感性增強(qiáng)。這表明，GhDP1與GhAKR13D2在調(diào)控防御相關(guān)萜類化合物合成中發(fā)揮關(guān)鍵作用，是棉花應(yīng)對外界脅迫、維持代謝平衡的調(diào)控因子。

團(tuán)隊(duì)揭示了引導(dǎo)蛋白可與醛酮還原酶形成穩(wěn)定復(fù)合體，介導(dǎo)萜類化合物的細(xì)胞外羥基化反應(yīng)的新的生化功能。通過在細(xì)胞外環(huán)境中催化半棉酚酮和殺夜蛾素的生成，GhDP1與GhAKR13D2為棉花構(gòu)筑了一道額外的化學(xué)防御屏障，增強(qiáng)了其抵御病原侵染與害蟲取食的能力。

上述研究揭示了棉花萜類代謝流空間重定向的分子基礎(chǔ)，拓展了引導(dǎo)蛋白的功能邊界。同時(shí)，這一工作為剖析植物防御系統(tǒng)的精細(xì)調(diào)控機(jī)制提供了新視角，并為通過基因工程與代謝工程培育高抗作物、開發(fā)天然農(nóng)藥提供了新的理論支撐與研究路徑。

10月20日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目等的支持。