Ind. Crop. Prod | 植物次生代谢积累的分子网络：当前的认识和未来的挑战

文摘 2024-11-20 00:01 北京

原名: Molecular networks of secondary metabolism accumulation in plants: Current understanding and future challenges

译名：植物次生代谢积累的分子网络：当前认识与未来挑战

期刊：Industrial Crops and Products

IF2024 ：5.6，中科院农林科学一区、农业工程一区、农艺学二区

论文作者: Shuang Liu(刘爽), Qiang Zhang, Larwubah Kollie, Juane Dong(董娟娥)*, Zongsuo Liang(梁宗锁)*

作者单位：西北农林科技大学、浙江理工大学

DOI号：https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2023.116901

【注】本文在编辑或排版过程中可能存在错误和不足，如发现错误或存在不妥，请查看原文，或联系编辑更改，感谢您的支持和关注

5月19日，国际著名期刊Industrial Crops and Products（IF2024=5.6，中科院农林科学一区、农业工程一区、农艺学二区）在线发表了西北农林科技大学/浙江理工大学梁宗锁教授、董娟娥教授团队题为“Molecular networks of secondary metabolism accumulation in plants: Current understanding and future challenges”的综述论文，系统地总结了调控植物次生代谢产物积累的最新分子机制和调控网络，并讨论了未来研究的难点。

西北农林科技大学刘爽博士为论文第一作者，西北农林科技大学董娟娥教授和浙江理工大学梁宗锁教授为论文共同通讯作者。

概况

植物次生代谢产物是植物在长期进化中适应生态环境变化的结果。次生代谢物的积累不仅影响植物的进化适应性，还影响一些药用植物和作物的质量和产量。因此，进一步了解植物次生代谢积累的调控机制是植物科学中不可或缺的研究领域。最近的研究证实，一些信号通路参与调节植物次生代谢物的积累，包括泛素-蛋白酶体通路、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路、表观基因组调控通路、植物激素和一些转录因子。本文总结了调节植物次生代谢积累的最新分子机制和调控网络，并讨论了未来研究的难点。

关键词：次生代谢、分子网络、翻译后修饰、植物激素、转录因子

1、研究背景

植物次生代谢产物是一类非必需的小分子有机化合物，由次生代谢产生，用于细胞生命活动或植物生长发育的正常运作。它们的产生和分布通常特定于物种、器官、组织和生长发育阶段。这些次生代谢物在医学和经济学中的重要性促使许多研究人员探索它们在植物中的生物合成过程。然而，对植物次生代谢积累过程的理解仍然有限。据预测，植物中可合成100多万种代谢产物（Zhao和Rhee，2022），根据其生物合成起始分子的不同，植物次生代谢产物可分为生物碱、萜类、苯丙类及其衍生物。生物碱主要通过莽草酸和甲基赤藓糖醇磷酸酯（MEP）途径进化。其特征是氮原子（Dug´e De Bernonville等人，2015；Xu等人，2014；Ziegler和Facchini，2008）。在植物中，萜类化合物来源于C5前体[异戊基焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）]，以两种不同的方式产生：质体中的MEP途径和细胞质中的甲羟戊酸（MVA）途径（O'Connor，2015；Vranova等人，2013）。而苯丙烷类化合物的丰富性是由基于莽草酸和苯丙烷途径的一组最小核心结构的有效修饰和扩增引起的（Vogt，2010）。此外，关键酶的功能研究在植物次生代谢的不同生物合成途径中具有重要意义。

然而，植物次生代谢物的生物合成受到内部发育线索和各种因素的调节。目前，植物次生代谢物生物合成途径中关键酶的功能研究远不能分析这些复杂的过程。因此，了解基因翻译后修饰和植物激素触发的转录调控对植物次生代谢积累的影响已成为植物科学研究的一个重要领域。本文重点介绍了植物次生代谢积累调控的最新研究进展，并讨论了次生代谢累积的可能分子机制和调控网络。

2、翻译后修饰调节次生代谢的积累

有证据表明，泛素-蛋白酶体途径、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号传导和表观遗传调控途径可通过调控次生代谢途径中的关键酶来影响植物次生代谢产物的积累（图 1，表 1）。在本节中，我们将详细介绍这些信号通路在次生代谢积累中各自作用的最新进展。

图1 植物次生代谢调控的主要信号通路。

拟南芥、青蒿、烟草和其他物种的次生代谢调节因子分别显示为红色、蓝色、黄色和绿色。缩写：ABA，脱落酸；JA，茉莉酸；SA，水杨酸；MAPK，丝裂原活化蛋白激酶。（如需解释此图例中对颜色的引用，请参阅本文的网络版本。）

表1 次生代谢积累的主要调节因子

2.1 泛素-蛋白酶体途径积累次生代谢

泛素化修饰是蛋白质翻译后修饰的重要途径。泛素化过程涉及三种关键酶，泛素激活酶（E1s）、泛素结合酶（E2s）和泛素连接酶（E3s）。蛋白质泛素化通过影响蛋白质的稳定性、活性和定位来调节植物的生理过程。最近的研究证实，泛素蛋白酶体途径在次生代谢的积累中起着重要作用。在拟南芥中，Kelch基序（重复）F-box（KFB）蛋白通过调节苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性在苯丙烷途径中起着关键作用。KFB蛋白上调或下调后，PAL酶的稳定性将受到显著影响，从而调节苯丙烷类的合成，表明KFB蛋白可以通过控制PAL降解来负调控苯丙烷类生物合成（Zhang等人，2013）。KFB在其C末端有一个或多个Kelch结构域，是F-box家族的一个亚家族。同时，F-box蛋白是SCF型E3泛素连接酶复合物识别靶蛋白的重要组成部分（Zhang等人，2019）。KFB01、KFB20和KFB50与PAL酶相互作用。有趣的是，与野生型品系相比，这些kfb缺失突变体既没有产生可识别的形态表型，也没有显著干扰总PAL活性或木质素积累。尽管如此，与单kfb敲除突变体和野生型品系相比，双突变和三突变品系可以显著增加PAL蛋白的表达，从而增加可溶性酚、木质素、芥子碱酯和花青素的含量，这意味着kfb蛋白在降解PAL活性方面具有功能冗余，这可能与PAL蛋白在体内的周转直接相关（Zhang等人，2013）。此外，KFB39与KFB50高度同源，与atkfb01/20/50三重突变体相比，atkfb01/20/50/KFB39 RNAi系中PAL的蛋白质水平高出约30%。幼苗中积累的花青素含量也增加了近4倍，表明KFB39对花青素积累有额外的影响（X.Zhang等人，2015；F.Zhang等，2015）。与KFB01、KFB20、KFB50和KFB39不同，它们可以同时与多个PAL交互。最近的研究发现，另一种KFB蛋白SAGL1只能与PAL1相互作用。在sagl1突变体中，PAL1的活性以及花青素和木质素的积累显著高于野生型植物。这与KFB01、KFB20和KFB50不同，它们需要两到三个突变才能表现出这些特征，这意味着SAGL1没有功能冗余（Yu等人，2019）。

除 PAL 酶外，KFB还能降解查尔酮合成酶（CHS）和肉桂酰CoA 还原酶（CCR）。CHS是黄酮类化合物生物合成的第一个关键酶，可以与KFBCHS发生物理相互作用。在kfbchs突变系统中，CHS的表达水平显著升高，芽和花中花青素和黄酮醇衍生物的含量也有所提高。这些数据表明，KFBCHS对黄酮类化合物的生物合成有负面影响。同时，研究结果可能表明，可能还有其他控制因子在调节CHS活性或黄酮类化合物的生物合成活性（Zhang 等人，2017）。作为木质素形成的第一关键酶，OsCCR14是OsFBK1的底物。在OsFBK1KD转基因系中，OsCCR14的降解较少，花药和根的木质化似乎略有增加（Borah和Khurana，2018），表明OsFBK1通过调节控制木质化的关键酶的细胞水平在水稻花药和根发育中发挥作用。

KFB蛋白在次生代谢积累中的功能在不同物种之间可能是保守的（图2）。首先，拟南芥KFB01/20/39/50和丹参SmKFB5的负干扰突变体的过表达可以抑制PAL的泛素化和随后的降解，并增加木质素、芥子酯、花青素和酚酸的生物合成（Yu等人，2021；X.Zhang等人，2015；F.Zhang等人，2015）。其次，水稻中突变OsFBK1KD的过表达增加了花药和根的木质化（Borah和Khurana，2018）。此外，通过RNA测序和精确的基因定位，在甜瓜中鉴定出KFB基因。CmKFB的过表达负调控柚皮苷查耳酮和下游黄酮类化合物的积累，导致香豆素和其他苯丙烷类化合物的代谢通量增加（Feder等人，2015）。由于操纵KFB途径会增加苯丙烷类化合物的合成，因此鉴定各种物种中的其他KFB并评估其对次生代谢产量的影响将非常重要。此外，KFB蛋白介导的蛋白质泛素化参与了植物次生代谢积累的过程，但所表征的KFB蛋白的许多蛋白质底物仍不清楚。有必要进一步阐明这些KFB蛋白如何调节次生代谢积累的详细机制。到目前为止，植物KFB蛋白的发现只揭示了它们所参与的部分机制，KFB蛋白质的系统表征取决于对高效底物捕获系统的研究，该系统可以识别单个蛋白质底物并阐明其生物学功能。

图2 KFB蛋白调控网络模型

KFB通过苯丙烷途径中不同关键酶的泛素化来调节次生代谢物的生物合成

RING指状结构域的蛋白质主要由C3HC4氨基酸基序和两个锌阳离子组成，它们可以同时与底物和泛素化酶结合，并作为连接酶发挥重要作用（Gu等人，2019）。COP1是一种光周期反应性RING E3连接酶，与MYB转录因子（TFs）相互作用，有助于MYB TFs的泛素化和降解，导致拟南芥和苹果中花青素积累的减少（Li等人，2012；Maier等人，2013）。突变体cop1-4植物比拟南芥的野生型产生了更多令人难以置信的花青素。有趣的是，MdCOP1的异位表达抑制了cop1-4和野生型植物中花青素的积累，这意味着cop1蛋白的功能超越了物种界限。因此，可以假设COP1蛋白抑制花青素积累的方式被认为在草本和木本植物之间具有高度的保守性（Li等人，2012）。此外，在芍药‘和协’中鉴定出一种新的RING E3连接酶PhRING-H2，可能调节PhCHS的泛素化。这与上述涉及KFBCHS蛋白的机制形成鲜明对比（Gu等人，2019）。RING E3连接酶和KFB也可能同时竞争与CHS的结合，以控制花青素的积累。然后，在未来也值得证明RING E3连接酶是否可以直接与KFB和CHS相互作用。综上所述，上述结果为泛素化调控植物次生代谢生物合成提供了新的见解和理论基础。

2.2 MAPK对次生代谢的积累

MAPKs主要通过下游蛋白质的磷酸化参与植物激素的合成和转导以及代谢工程，从而调节生物和非生物胁迫。MAPK级联由以下三种激酶组成：MAPK、MAPK激酶（MKK）和MAPK激酶激酶（MKKK）。在拟南芥中，MPK3/MPK6可以影响4-甲氧基吲哚-3-基甲基硫苷（4MI3G）的生物合成。与野生型相比，在mpk3或mpk6单突变体中没有观察到4MI3G生物合成的显著变化，而在mpk3-mpk6双突变体中4MI3G的生物合成受损。在此过程中，MPK3和MPK6可能具有功能冗余（Xu等人，2016）。在长春花（C. roseus）中，CrMPK3和CrMPKK1的过表达可以增加萜类吲哚生物碱（TIA）途径基因的表达，促进TIA的积累（Paul等人，2017；Raina等人，2012）。CrMAPKKK1可以依次激活和磷酸化CrMAPK1和CrMAPK3/6，CrMAPK3/6可以增加上游CrMYC2和ORCA基因簇的激活，从而调节TIA通路基因的表达。因此，CrMAPKK1-CrMAPKK1-CrMAPK3/6级联的活性与TIA生物合成有关（Paul等人，2017）。

此外，MPK3和MPK6可以通过磷酸化WRKY33的能力介导拟南芥中植保素camalexin的生物合成。在wrky33突变体中，MPK3/MPK6介导的camalexin生物合成途径明显受损。WRKY33中MPK3/MPK6磷酸化位点的突变可以恢复WRKY33突变体合成camalexin的能力（Mao等人，2011）。同时，在cpk5和cpk6突变体中观察到camalexin生物合成的诱导受损，WRKY33也是cpk5和cpk6磷酸化的底物（Yang等人，2020）。因此，WRKY33可能作为CPK5/CPK6-和MPK3/MPK6-级联的靶标，以控制camalexin的生物合成（图3）。然而，值得注意的是，CPK5和CPK6对WRKY33 Thr-229残基的磷酸化增加了WRKY33的DNA结合能力（Zhou等人，2020）。相比之下，MPK3/MPK6对WRKY33 N端Ser残基的磷酸化导致WRKY33的反式激活活性增加（Mao等人，2011）。总之，CPK5/CPK6和MPK3/MPK6可以通过调节同一底物WRKY33的磷酸化来协同介导卡马列辛的生物合成。

图3 丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）调控植物次生代谢的信号通路

病原体通过触发MAPKKK3/5-MKK4/5-MAPK3/6级联和Ca2+内流来调节植保素camalexin的生物合成。MAPK3/6和CPK5/6可以磷酸化WRKY33并增强其DNA结合和转录激活活性，从而通过上调参与camalexin生物合成的关键酶的表达进一步增强camalexion的积累。

有证据表明MAPK信号与光照和温度有关。例如，在拟南芥中，MPK4与MYB75相互作用并磷酸化MYB75，它们的相互作用取决于MPK4激酶活性。被光激活后，MPK4可以磷酸化MYB75并增加其稳定性，有助于光诱导花青素的积累。这揭示了MAPK通路在光诱导的次生代谢积累中的重要作用（Li等人，2016）。此外，FvMAPK3作为花青素积累的负调节因子，在低温下可以通过两种机制抑制草莓果实中的花青素积累。首先，FvMKK4的下游靶点FvMAPK3能够磷酸化FvMYB10，并在FvMAPK4激活后降低其转录水平。其次，FvMAPK3可以直接磷酸化和降解FvCHS1（Mao等人，2022）。综上所述，MAPK参与光/温度诱导的反应机制值得进一步探索。同时，将MAPK与特定的光/温度受体调节的信号通路或光强度/温度变化刺激的特定应激反应通路联系起来是未来的一个主要研究方向。

3、次生代谢积累的表观遗传调控

基因表达的表观遗传调控通常与DNA甲基化/去甲基化和组蛋白修饰有关（图4）。DNA甲基化/去甲基化，需要通过重亚硫酸氢盐测序PCR（BSP）观察。它的存在会影响染色质压缩的程度、转录因子的结合以及周围组蛋白的类型，进而影响基因表达。组蛋白是DNA甲基化后表观遗传研究的热点领域。组蛋白主要分为四种类型：H2A、H2B、H3和H4。在植物次生代谢产物领域，对H3组蛋白的研究主要是探索其N段赖氨酸修饰与基因组之间的关系。

图4 植物次生代谢物表观遗传调控模型

a.AGO4s、DRM2和RDM1在苹果中相互作用形成RdDM效应复合物。DRM2s可以催化下游基因启动子的甲基化，以控制花青素的积累；b.ROS1通过与下游基因启动子相互作用使其甲基化来调节花青素和黄酮类化合物的积累；c.JMJ25通过介导下游基因启动子中的H3K9去甲基化来调节花青素生物合成

某些作物中花青素的积累与编码花青素生物合成调节因子的基因的DNA甲基化密切相关。DRM2、RDM1和AGO4已被鉴定为构成RNA导向的DNA甲基化（RdDM）效应复合物。在三个苹果品种中，没有检测到MdMYB1的mRNA序列差异，但事实证明MdAGO4s、MdDRM2s和MdRDM1可以在体内和体外相互作用。MdAGO4s和MdDRM2s的过表达导致其相互作用蛋白的表达水平升高。因此，三个品种之间的颜色差异可能是由于MdMYB1启动子区域的甲基化差异造成的（Jiang等人，2020）。在红皮肤亲本“Kidd’s D-8”（KID）和黄皮肤体细胞突变体“Blondee”（BLO）之间也发现了类似的结果，MdMYB10启动子的CHH甲基化可能是导致突变体的表观遗传因素（El Sharkawy等人，2015）。苹果叶片和果实的甲基化分析表明，果实中的CHH DNA甲基化水平较高（Daccord等人，2017）。这些发现表明，RdDM可能在苹果果实中起着重要作用，RdDM是抑制表观遗传调控的重要过程，可触发转录基因的沉默。

植物中花青素的积累也参与了花青素生物合成基因的DNA去甲基化。沉默抑制因子1（ROS1）和DNA糖苷酶DEMETER（DME）家族基因（DME、DML2和DML3）在植物中具有DNA去甲基化功能。DML1可以使DFR和Ruby启动子去甲基化，并诱导甜橙果实中花青素的合成和积累（Sicilia等人，2020）。此外，烟草中AtROS1的过表达导致编码黄酮生物合成的基因启动子区脱甲基胞嘧啶的数量显著增加，从而增加了黄酮的生物合成（Bharti等人，2015）。在苹果中，MdROS1也被证明与下游基因的启动子相互作用，以调节它们的甲基化水平，这也是水果和叶子中花青素积累的积极调节因子（Yu等人，2022）。尽管DNA甲基化和去甲基化在花青素积累中具有特定作用，但DNA甲基化与去甲基化是否会相互转化或形成闭环仍有待进一步研究。

组蛋白翻译后修饰通过改变组蛋白与DNA链的亲和力来影响TF与染色质的结合，其中H3K9ac、H3ac和H3K4me3在植物花青素生物合成中起着至关重要的作用。光诱导的苹果红色色素沉着与MdMYB1启动子的H3ac和H3K4me3活性升高有关（Bai等人，2016）。然而，组蛋白修饰是否负责光的动态染色质状态变化，从而调节花青素的生物合成，这需要进一步研究。在杨树中发现了一种名为JMJ25的保守H3K9脱甲基酶。JMJ25的过表达抑制了花青素生物合成途径的基因，导致转基因杨树叶片中的花青素水平显著降低。相反，在JMJ5敲除系中，即使在持续黑暗中，花青素积累也会增加。有趣的是，野生型杨树MYB182基因座的DNA非CG甲基化水平极高，而过表达JMJ25品系的CG含量降低（Fan等人，2018）。然而，DNA CG甲基化与组蛋白H3K9甲基化之间是否存在某种潜在联系，以及这种机制在不同植物物种之间是否保存完好，目前尚不清楚。因此，阐明DNA甲基化和组蛋白甲基化在调节花青素生物合成过程中的潜在联系将是一个有价值的挑战。

4、调节次生代谢积累的激素分子网络

植物激素在植物体内具有多种功能，如次生代谢、生长发育和应激反应等。已经证明茉莉酸（JA）、水杨酸（SA）和脱落酸（ABA）可以调节次生代谢的积累。了解调节次生代谢的几种必需激素的分子网络对于一些植物的产量和质量至关重要（图5）。

图5 植物激素调控的青蒿素生物合成模型

AaJAZ8被JA受体AaCOI1识别，并被26S蛋白酶体降解，从而释放AaMYC2。AaMYC2可以通过激活AaGSW1来调节AaORA的表达，最终促进AaTCP14-AaORA复合物的形成。AaMYC2、AaGSW1和AaORA可以激活AaTCP15启动子的活性。AaORA与AaTCP15相互作用，提高其在AaTCP15上的转录活性，促进AaTCP15的表达，从而激活青蒿素生物合成相关基因。ABA诱导的AabZIP1可以同时激活AaTCP14和AaTCP15启动子的活性，从而促进AaTCP15-AaORA和AaTCP14-AaORA复合物的形成，最终TCP-TFs通过响应上游JA和ABA信号促进青蒿素的生物合成。此外，AaERF1和AaNAC1可以响应SA和JA信号传导而被诱导，其中SA诱导的NPR1-TGA6-TGA3模块和JIA诱导的AabHLH112协同调节AaERF1调节的青蒿素生物合成

4.1 JA在次生代谢积累中的作用

在植物中，JA信号模块的核心是F-box蛋白CORONATINE INSENSITIVE 1（COI1）和JA-ZIM结构域（JAZ）蛋白之间的直接相互作用，这是基于生物活性JA-Ile缀合物，产生了一种共受体复合物（Liu等人，2021）。例如，沉默JA受体NtCOI1或过表达NtJAZ1/NtJAZ3的C末端缺失会导致MeJA反应性尼古丁生物合成基因（如NtPMT）的活性降低，从而减少MeJA诱导的烟草中尼古丁的积累（Tsubasa等人，2008）。一致地，NtJAZ1也减少了尼古丁的积累，而NtJAZ1通过与NtMYC2a和NtMYC2b相互作用形成复合物，削弱了NtMYC21和NtMYC22b对NtPMT1a的激活活性（Timko，2012）。在丹参中，SmJAZ8突变体表现出丹酚酸和丹参酮含量的下降，外源MeJA处理后，这些化合物可以在SmJAZ8-突变系中积累（Ma等人，2022；Pei等人，2018）。AaJAZ8主要通过与AaHD1或AabHLH1相互作用来抑制青蒿素的生物合成（Li等人，2019；Yan等人，2017）。此外，大多数JAZ还可以抑制拟南芥和苹果中的花青素生物合成（Boter等人，2015；Liu等人，2017），表明JAZ蛋白是植物次生代谢生物合成途径中的负调节因子。

一些TFs也参与了JAs诱导的次生代谢物生物合成。青蒿素是一种重要的具有抗疟疾活性的倍半萜，其在青蒿A. annua中的合成受许多转录因子的调节。其中，与JA信号通路相关的TF包括拟南芥MYC2同源基因AaMYC2、AP2/ERF家族TF的AaORA、WRKY家族TF的腺三联体特异性WRKY 1（AaGSW1）、TEOSINTE BRANCHED 1/CYCLOIDEA/增殖细胞因子（TCP）家族TFAaTCP14/15和YABBY家族TF AaYABBY5。青蒿素的含量在这些基因的过表达系中显著升高，在沉默系中显著降低（Chen等人，2017；Kayani等人，2019；Ma等人，20182021；Shen等人，2016）。值得注意的是，双氢青蒿素（青蒿素的直接前体）的含量在AaTCP15过表达系中降低，而在AaTCP14过表达系中升高，表明AaTCP14和AaTCP15调节二氢青蒿素合成的机制尚不清楚，值得进一步分析。AaORA和AaTCP14形成转录复合物，激活下游青蒿素合成相关基因的转录水平；AaMYC2和AaGSW1可以与青蒿素相关合成基因的启动子序列结合，直接调节这些基因的表达以合成青蒿素，或激活AaORA的表达以启动青蒿素合成基因的表达。AaJAZ8可以与AaMYC2结合并抑制其转录活性。它还能与 AaORA或AaTCP14结合，阻止它们形成转录复合物，从而抑制青蒿素的合成（Ma等人，2018 年）。然而，AaYABBY5通过直接调节青蒿素合成相关基因来促进青蒿素的积累（Kayani等人，2019）。因此，研究青蒿中的一些转录因子是否可以通过JA信号通路调节青蒿素的生物合成非常重要。

4.2 ABA在次生代谢积累中的作用

ABA信号传导主要由碱性亮氨酸拉链（bZIP）TFs介导（An等人，2018）。青蒿A.annua基因组编码100个bZIP TFs，其中AabZIP1参与青蒿素的生物合成。AabZIP1通过触发ADS和CYP71AV1启动子来调节A.annua中的青蒿素生物合成。在AabZIP1过表达系中，ADS和CYP71AV1的转录水平比野生型显著增加了约6-8倍，青蒿素的含量也显著高于野生型（Zhang等人，2015；F.Zhang等，2015）。很可能，在丹参中，丹参酮和丹酚酸的含量在SmbZIP1过表达系中显著增加，在SmbZIP1敲除系中显著降低（Deng等人，2020）。在本研究中，bZIP家族的成员ABI5对ABA信号介导的苹果花青素生物合成具有至关重要的影响。MdABI5过表达的植物表现出花青素含量的显著增加，但有趣的是，这一过程取决于MdbHLH3。MdABI5与MdbHLH3相互作用，改善了其对靶基因的转录调控，并提高了MYB1-bHLH3复合物之间的结合能力（An等人，2021）。综上所述，bZIP TFs在ABA诱导的次生代谢生物合成中起着积极的调节作用。

此外，ABA和JA在积累次生代谢中的相互作用有几条证据。例如，PYR/PYL/RCAR家族基因NtPYL4是一种ABA受体，其表达已被发现受烟草中JA的调节。在烟草毛状根中，NtPYL4过表达后，生物碱积累减少，ABA对生物碱的敏感性增加。相应地，在PYL4或PYL5功能丧失的转基因拟南芥品系中，JA导致生物量和花青素含量降低。总之，PYL受体在植物响应JA和ABA信号通路之间的串扰中起着重要作用（Lackman等人，2011）。最近的一项研究表明，AabHLH113的过表达提高了青蒿素含量，而AabHLH103的RNAi显著降低了青蒿素含量。但AabHLH113通过JA诱导的AabHLH1012和ABA诱导的AabBIP1直接与AabHLH113的启动子结合，从而影响青蒿素的生物合成，表明AabHLH1 13的表达是由JA和ABA诱导（Yuan等人，2022）。因此，有必要探索不同激素诱导的转录因子或基因是独立还是协同形成调控模块，以进一步分析其他物种次生代谢物生物合成的调控机制。

4.3 SA在次生代谢积累中的作用

SA是一种酚类化合物，在植物次生代谢中也起着重要作用。有证据表明，在SA的刺激下，TGA TF可以与致病基因非表达子1（NPR1）的BTB/POZ结构域结合形成反式复合物和增强子（Wu等人，2012）。在青蒿中，AaTGA6突变体的青蒿素积累显著减少，过表达株的青蒿素积累显著高于野生型，表明AaTGA6促进了青蒿素的生物合成。

AaTGA6可以与转录辅激活子AaNPR1相互作用，调节AaERF1转录形成增强子。然而，AaTGA3与AaTGA6相互作用并形成异二聚体，这会对AaTGA6的DNA结合活性产生负面影响，并参与青蒿素生物合成的负反馈回路，其发生可能是a.annua的自我保护机制（Lv等人，2019）。有趣的是，AaERF1促进青蒿素积累也受茉莉酸的调节。同样，SA和茉莉酸甲酯（MeJA）可诱导AaNAC1的表达。在过表达AaNAC1的植物中，双氢青蒿素酸和青蒿素的含量分别提高了150%和79%（Lv等人，2016）。

尽管对植物激素信号传导进行了广泛的研究，但我们对植物激素在次生代谢积累中的作用的理解仍然有限。首先，对已鉴定的激素相关调节因子之间的遗传关系知之甚少，这使得我们对激素在次生代谢物积累中的机制的机械见解非常零散。其次，不同的激素信号可以调节一些调节因子，介导次生代谢物的积累。不同激素信号的相互作用使次级代谢调节网络更加复杂。因此，需要进一步的研究来整合调节次生代谢物积累的激素网络。

5、转录因子对次生代谢的积累

TFs可以鉴定靶基因启动子中的特定顺式元件。它们通常可以激活或抑制其靶基因的表达，从而在环境刺激下调节次生代谢物的特定积累。此外，这些因子的过表达被认为可以更有效地调节植物的次生代谢。

5.1 MYB bHLH WD重复（MBW）调节模块

MYB-bHLH-WD重复序列（MBW）复合物由MYB、基本螺旋-环-螺旋（bHLH）和WD40蛋白组成，已被鉴定在开花植物花青素的生物合成中起着重要作用。透明睾丸GLABRA1（TTG1）被鉴定为拟南芥中的WD40重复蛋白（Zhang等人，2003）。bHLH蛋白与MYB和TTG1结合，形成参与调节花青素生物合成相关基因的MBW复合物（Lloyd等人，2017）。很可能，在osttg1突变体（拟南芥TTG1的同源基因）中，各种水稻组织中的花青素水平显著降低，表明它能够调节水稻中的花青素生物合成（Yang等人，2021）。除了TTG1，高温诱导后拟南芥中bHLH家族TFs TT8和EGL3的表达也受到抑制，从而抑制花青素生物合成并减少其积累（Rowan等人，2009）。此外，有证据表明，多效唑（GA生物合成抑制剂）诱导的花青素积累在ttg1–1突变体、MYBs（PAP1/PAP2/MYB113/MYB114）-RNAi系和tt8-gl3-egl3（bHLHs-RNAi）三重突变体中几乎检测不到，这表明MBW复合物对于GA介导的花青素生物合成是不可或缺的（Xie等人，2016）。迄今为止，MBW复合物对次生代谢物的调节主要集中在花青素的生物合成上，研究MBW复合物质是否也调节植物中其他次生代谢物的生物合成将是有趣的。

5.2 WRKY转录因子

透明性测试GLABRA2（TTG2）是WRKY家族的TF，可以影响拟南芥种子中黄酮类化合物的积累。ttg2突变体的种皮色素沉着明显少于野生型，ttg2-1植物中编码MATE型转运蛋白的TT12的异位表达恢复了一部分种皮色素。此外，发现TTG1和TTG2在物理上相互作用，形成一种新的复合物，协同调节黄酮途径（Gonzalez等人，2016）。在丹参中，SmWRKY34是拟南芥AtWRKY40的同源基因。基因敲除后，丹酚酸和丹参酮的含量增加；因此，SmWRKY34对酚酸和丹参酮显示出负面影响（Shi等人，2022）。相比之下，MdWRKY40过表达果实的损伤诱导花青素含量增加，而MdWRKY4 0抑制果实的损伤诱发花青素含量降低，表明MdWRKY 40可以促进苹果中损伤诱导花青素的积累。有趣的是，MdBT2可以通过降低MdWRKY40的稳定性来抑制伤口诱导的花青素积累，这意味着MdBT2能够负向调节苹果伤口诱导的花色苷积累（An等人，2019）。

5.3 TCP转录因子

TCP3调节拟南芥中花青素、原花青素和黄酮醇的积累。TCP3的过表达导致花青素、原花青素和黄酮醇含量大大增加，而TCP3SRDX植物中的原花青素含量降低，表明TCP3是花青素生物合成的正调节因子（Li和Zachgo，2013）。然而，抑制TCP15的表达可以增加花青素的积累，这意味着TCP15是花青素积累的抑制剂。有趣的是，tcp14-tcp15突变体在受到高光照后积累了更多的花青素。然而，如果持续高光照强度，TCP15对花青素生物合成的抑制将通过蛋白质氧化逐渐减轻（Viola等人，2015）。此外，在青蒿中，TCP15是一种ABA和JA双重反应的TCP TF，在青蒿中过表达TCP15可以提高青蒿素的产量，而沉默TCP15会降低青蒿素的生物合成，这表明TCP15对青蒿素的生物合成具有促进作用（Ma等人，2021）。TCP15在拟南芥和一年生拟南芥中的作用相反，这可能是由于两种物种之间存在较大的遗传差异，也可能是由于不同物种之间代谢物积累的不同部分。TCP15是一种发育调节因子，因此TCP15蛋白可以在光或激素诱导下转化为形态，以便更直接地观察。此外，TCP15在调节植物次生代谢积累中是否受光和激素的调节，也值得进一步研究。

5.4 APETALA2/乙烯反应因子（AP2/ERF）转录因子

AP2/ERF在植物次生代谢中起着至关重要的作用。AP2/ERF（WIN1/SHN1、SHN2或SHN3）的过表达导致蜡生物合成相关基因的高表达水平和表皮蜡积累的增强，表明AP2/ERF-TF在蜡生物合成中也起着关键作用（Thoenes等人，2004）。在青蒿中，TAR1的沉默导致青蒿素积累减少和表皮蜡负荷变化，而TAR1的过表达不仅导致青蒿素含量增加，还导致关键酶基因的表达增加，这表明TAR1可能参与调节青蒿素生物合成的关键调控网络（Tan等人，2015）。

此外，青蒿素含量在 AaORA、AaERF1 和 AaERF2 沉默株中显著降低，表明 AP2/ERF TFs在青蒿素生物合成中也发挥了作用（Lu 等，2013；Yu 等，2012）。AaORA最近被证明能够与AaTCP14形成复合物，对JA信号传导作出反应并调节青蒿素生物合成（Ma等人，2018），这意味着AaORA可能整合JA信号以调节青蒿素生物合成。

讨论与展望

最近的研究证实，一些信号通路参与调节植物次生代谢物的积累，包括泛素-蛋白酶体通路、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路、表观基因组调控通路、植物激素和一些转录因子。本文总结了调节次生代谢积累的最新分子机制和调控网络，并讨论了未来研究的难点。

许多次生代谢产物对人类具有重要价值，如花青素会影响一些作物的质量；青蒿素可以挽救疟疾患者的生命。随着“海量数据”研究的最新进展，对植物次生代谢生物合成机制的理解取得了快速进展。本文总结了泛素蛋白酶体途径、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号传导、表观遗传调控途径、植物激素和一些在复杂网络中调节次生代谢积累的转录因子。尽管已经确定了一些关键的转录因子和分子途径来调节植物次生代谢的积累，但我们对整个调控网络的看法仍然不全面。未来的挑战是揭示已知调节次生代谢物的关键基因的上游和下游成分，以及已鉴定分子途径之间的可能联系。现代高通量方法（如单细胞组学、空间转录组学、太空代谢组学、蛋白质组学和全基因组关联研究）与传统研究方法的结合可以加速这一研究过程。

植物次生代谢的积累在不同植物物种之间存在巨大差异，这是植物适应环境变化的重要特征。未来，多组学数据的联合分析可用于确定决定物种间次生代谢物差异的关键基因，并建立对次生代谢物变化的动态理解。有趣的是，一些调节植物次生代谢物生物合成的基因在不同植物物种中具有相似的功能，这意味着次生代谢物调节的机制在很大程度上是相对保守的。但总的来说，我们现在面临的主要问题是应用模型植物研究的结果来改善药用植物中次生代谢物的生物合成。