植物如何在復雜環(huán)境中精準調控自身代謝，一直是植物生物學領域的重要科學問題。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、木質素和水楊酸等關鍵代謝物的合成。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，中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室、合成基因組學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)，苯丙烷通路關鍵酶Phenylalanine ammonia-lyase（PAL）不僅在細胞質中催化類黃酮合成的起始反應，還能通過磷酸化修飾進入細胞核，以雙重機制精準調控黃酮類化合物的合成總量。這項研究顛覆了“PAL僅為胞質酶”的傳統(tǒng)認知，提出植物通過調控酶的亞細胞定位，實現(xiàn)代謝與轉錄雙重反饋調控的新機制。

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，而本研究首次證實PAL不僅存在于胞質中，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。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控。

磷酸化開關：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PAL發(fā)生磷酸化修飾。通過質譜分析，研究團隊鑒定出關鍵磷酸化位點（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NAR進入細胞核。這說明，磷酸化是PAL入核的分子開關。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)并驅動PAL轉位。

雙重剎車機制：空間隔離+轉錄抑制

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，胞質中有效酶濃度下降，整體酶活顯著降低；核內(nèi)PAL與MBW轉錄復合體核心組分TT8發(fā)生互作，破壞TT8與MYB75之間的結合，抑制CHS、CHI、F3H、FLS、DFR等黃酮關鍵基因表達。該機制形成了“代謝物誘導—PAL磷酸化—核轉位—雙重抑制”的負反饋環(huán)路，實現(xiàn)黃酮生物合成的精細調控。

圖3. PAL對類黃酮生物合成的動態(tài)調控模型

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錄調控的新范式，為理解植物特殊代謝的精細調控網(wǎng)絡提供了全新視角。

中國科學院深圳先進技術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）為該論文共同第一作者。中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室、合成基因組學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，中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室、材料合成生物學研究中心高翔研究員和美國加利福尼亞大學伯克利分校谷楊楠教授給予了重要支持與專業(yè)指導。

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