近日，閩江學院地理與海洋學院潘鋮烺/陳建明教授團隊在plant physiology and biochemistry發表了題為《羽葉落地生根的UDP-糖基轉移酶參與槲皮苷生物合成併發揮抗氧化作用》（Involvement of UDP-glycosyltransferase of Kalanchoe pinnata (Lam.) Pers in quercitrin biosynthesis and consequent antioxidant defense）的研究論文。閩江學院潘鋮烺副教授、已畢業本科生王獻鋒和謝雲傑博士為論文共同第一作者，閩江學院潘鋮烺副教授、陳建明教授和福建省農科院方智振研究員為論文共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金和福建閩江河口溼地國家自然保護區管理處開放課題等專案的資助。
植物在應對各種非生物脅迫時，通常會在組織中積累抗氧化劑和多種保護性化合物。落地生根屬植物富含活性化合物，這些化合物以高效的抗氧化能力和強大的抗逆性而聞名。雖然在羽葉落地生根K. pinnata (Lam.) Pers中已發現了一些生物活性化合物，如類黃酮、三萜類、苷類、、莨菪內酯和有機酸等，但發揮這種抗氧化生物活性的主要物質尚未知曉。因此，探索羽葉落地生根中的關鍵生物活性物質並解析其相關生物合成途徑，可為該植物的開發利用提供重要的科學理論依據。
在這項研究中，研究團隊透過廣泛靶向代謝組比較分析了落地生根屬具有代表性的三個物種（羽葉落地生根Kalanchoe pinnata (Lam.) Pers、玉吊鐘Kalanchoe delagoensis (Eckl. et Zeyh.) Druce和棒葉落地生根Kalanchoe fedtschenkoi ‘Rosy Dawn’），結果表明黃酮類化合物是這三種植物中含量差異最高的一類代謝產物。其中，羽葉落地生根中的槲皮苷含量明顯高於其他兩種。
圖1 落地生根屬三種植物的差異代謝物水平聚類分析
實驗選取了處於相同生長階段的三株植物，並從每株植物中採集了三個樣本（共9個樣本），使用UPLC-MS/MS進行分析，以檢測代謝物水平的差異。透過主成分分析（PCA）和聚類分析，將所有已鑑定的代謝物分為13個不同的類別。
圖2 鑑定落地生根屬三種植物的關鍵代謝物
落地生根屬三種植物的差異代謝物分析。紅色框表示K pinnata (Lam.) Pers中的代謝物水平明顯高於其他兩種植物。綠色框表示K. delagoensis (Eckel. et Zeyh.) Druce和K. fedtschenkoi Rosy Dawn的代謝物水平明顯高於K. pinnata (Lam.) Pers。
為了確定槲皮苷的主要生物合成途徑，研究團隊隨後對羽葉落地生根不同組織進行轉錄組和靶向代謝組關聯分析。結果表明UDP-糖基轉移酶調節槲皮苷的合成。透過體外酶分析和菸草中的瞬時表達，研究團隊證明了KpUGT74F催化槲皮素的糖基化反應，從而生成槲皮苷。
圖3 K pinnata (Lam.) Pers.中關鍵類黃酮代謝物的鑑定和加權基因共表達網路分析
(A) 用MetWare (http://www.metware.cn/)和AB Sciex QTRAP 6500 LC-MS/MS平臺測試槲皮苷含量。(B) 使用AB Sciex QTRAP 6500 LC-MS/MS平臺對K pinnata (Lam.) Perswas的不同組織進行黃酮類化合物代謝組學分析，使用韋恩圖篩選差異代謝物。根據RNA-seq篩選參與黃酮類化合物生物合成的差異表達基因。(C) 代謝組學和轉錄組學檢測的WGCNA結果被分為幾個模組。圖中顯示了基因表達與代謝物水平之間的正（紅線）和負（綠線）相關性。紅色高亮部分表示相關性較強的模組，數字為相關係數。
圖4 鑑定K. pinnata (Lam.) Pers中參與槲皮苷合成的候選基因
(A)根據RNA-seq篩選出參與黃酮類化合物合成的關鍵基因，並透過實時定量RT-PCR進行驗證。(B) 代謝物含量透過AB Sciex QTRAP 6500 LC-MS/MS平臺測量，並透過MetWare (http://www.metware.cn/)進行分析。
圖5 KpUGT74F的系統發育分析、多重序列比對和體外酶測定
(A)使用MEGA5的鄰接法進行系統發育和進化分析，並進行了1000次重複。(B)來自擬南芥和亞麻的UGT氨基酸序列的多序列比對。其他序列包括KpUGT74F (OP326757)、AtUGT74B1 (AT1G24100)、AtUGT74F2 (AT2G43820)和LuUGT74S1 (AGD95005)。(C) 槲皮素被用作糖基受體，與不同的糖配體（UDP葡萄糖、UDP鼠李糖、UDP木糖和葡萄糖醛酸）發生反應，反應由目標蛋白催化。透過HPLC檢測產物，確定酶的功能，以表徵目標蛋白對底物的選擇性。
圖6 候選基因在N. benthamiana中的瞬時表達
（A-B）KpUGT74F過表達載體被注射到4-5周大的N. benthamiana植物的葉片中，菸草葉片中的基因和蛋白表達分別透過qPCR和蛋白質印跡法進行驗證。（C-D）使用AB Sciex QTRAP 6500 LC-MS/MS平臺與MetWare（http://www.metware.cn/）測量菸草和野生型（WT）葉片中槲皮苷及其相關代謝物的含量。
這項研究確定了羽葉落地生根中的重要抗氧化物質及其關鍵調控機制，為理解這些植物的高抗逆性提供了重要的理論基礎。
