植物的生长发育与碳氮代谢的调节密切相关，羧酸代谢相关酶被认为参与植物的碳和氮代谢途径调节。苹果酸在植物碳代谢调控中发挥至关重要的作用，前人研究报道，苹果酸在三羧酸循环（TCA）和代谢产物信号传导中发挥关键作用，可将线粒体呼吸代谢与胞质生物合成途径联系起来。NADP依赖型苹果酸酶（NADP-ME）是苹果酸代谢的关键酶之一，催化苹果酸氧化脱羧产生丙酮酸CO2和还原型辅酶II（NADPH），NADP-ME在植物生长代谢及发育过程中扮演着重要角色。

黄瓜（Cucumis sativus）果实的快速生长和发育需要大量的碳水化合物和氨基酸。课题组前期研究表明，黄瓜果实快速膨大过程中积累的主要碳水化合物是葡萄糖和果糖，同时伴随着有机酸的快速积累。此外，黄瓜果实具有复杂的维管解剖结构，由外到内包括外周维管束（PeVB）、主维管束（MVB）、心皮维管束（CVB）和胎盘维管束（PlVB）四套功能分化的维管束。然而，到目前为止，黄瓜NADP-ME酶编码基因（CsNADP-ME）在黄瓜果实碳氮代谢中的功能尚不清楚。

2023年11月，Horticulture Research上线了（Advance Access）中国农业大学园艺学院、设施蔬菜生长发育调控北京市重点实验室眭晓蕾教授课题组和德国马克斯·普朗克植物分子生理研究所Alisdair R. Fernie教授研究团队合作发表的题为“Cucumber malate decarboxylase, CsNADP-ME2,functions in the balance of carbon and amino acid metabolism in fruit” 的研究论文，揭示了苹果酸脱羧酶CsNADP-ME2在黄瓜果实碳和氨基酸代谢平衡中的重要作用。

该研究利用放射性同位素标记技术，将14C标记的碳酸氢盐饲喂进入黄瓜根系，结果显示在黄瓜果实外果皮和维管束系统中均可检测到14C标记的氨基酸、可溶性糖和有机酸（图1）。原位杂交和免疫组织化学定位等结果表明，在黄瓜果实中高量表达的NADP-苹果酸酶编码基因CsNADP-ME2主要定位于果实外果皮和维管束系统。利用反向遗传学技术，结合放射性同位素示踪和气体交换分析结果表明，过表达CsNADP-ME2基因，显著上调黄瓜果实外果皮中淀粉、蔗糖、葡萄糖含量，及其蔗糖/淀粉的比例，同时果实通过光合碳反应途径对呼吸作用释放出的CO2进行再固定的比率显著增加，表明CsNADP-ME2在碳素向可溶性糖和淀粉的流向中发挥重要作用（图2）。进一步结合代谢组学分析表明，干扰CsNADP-ME2基因引起苹果酸在外果皮中的积累，同时糖酵解途径相关基因的表达受到抑制，促进碳素更多流向氮合成代谢的前体物质，干扰株系果实中氨基酸合成增加，而在CsNADP-ME2-过表达株系果实中呈现了相反的变化趋势。以上结果表明，黄瓜果实中可能存在一个连续的“自下而上”的糖酵解反馈调控机制，进而调节初级代谢途径中碳和氨基酸代谢的平衡（图3，图4）。

图1 黄瓜果实放射自显影和放射性标记物质比例

图2 14C标记碳水化合物分配揭示CsNADP-ME2调节转基因黄瓜果实中的碳素流向

图3 CsNADP-ME2转基因黄瓜果实中的主要初级代谢产物

综上所述，该研究表明苹果酸酶基因CsNADP-ME2在黄瓜果实碳反应和氨基酸合成平衡中发挥着潜在作用，该研究成果为黄瓜产量和品质协同调控提供了基因资源与理论依据。

图4 黄瓜果实CsNADP-ME2功能的推测模型

中国农业大学为本论文第一完成单位，江西农业大学单楠博士（中国农业大学2018届毕业博士研究生）、德国马克斯·普朗克植物分子生理研究所张有君博士、中国农业大学园艺学院博士研究生郭一聪为论文并列第一作者，中国农业大学园艺学院眭晓蕾教授和德国马克斯·普朗克植物分子生理研究所Alisdair R. Fernie教授为本论文通讯作者。中国农业大学园艺学院张文娜副教授、聂静博士后参与了该项研究。该研究得到国家自然科学基金项目（32272695、31972398、31960591）、国家重点研发计划项目（2019YFD1000300）、欧盟“地平线2020”研究与创新计划、国家大宗蔬菜产业技术体系、教育部高等学校学科创新引智计划（“111计划”）等项目的资助。

作者团队介绍

中国农业大学园艺学院眭晓蕾教授课题组长期从事黄瓜生理与发育生物学、设施蔬菜高产高品质栽培技术与调控等研究，近年围绕糖代谢酶及糖转运蛋白介导同化物韧皮部卸载调控黄瓜果实和花粉发育的分子生理机制（Plant Physiology, 2015, 2019, 2021, 2022; Plant Journal, 2018, 2021; Journal of Experimental Botany, 2017），以及黄瓜韧皮部特异蛋白、氨基酸转运蛋白等参与生长素介导黄瓜果实和根系发育的分子生理机制（PNAS, 2021; New Phytologist, 2023）等内容，取得了一系列进展。

眭晓蕾课题组团队合照

德国马克斯·普朗克植物分子生理研究所Alisdair R. Fernie研究团队主要研究方向是植物代谢组学及重要作物代谢调控，并在植物代谢的自然变异代谢途径解析、初级和次级代谢工程等方面做出许多原创性工作，在Nature Biotechnology、Nature Protocols、Nature Plants、Nature Communications、Nature Reviews Molecular Cell Biology、Annual Review Plant Biology、Trends in Plant Science、Plant Cell、PNAS等国际主流学术期刊发表研究论文或综述1000余篇。同时，Alisdair R. Fernie教授为动植物科学领域全球高被引科学家。

张有君，中国科学院遗传与发育生物学研究所分子农业生物学研究中心研究员，博士生导师。主要研究植物初级代谢调控和次级代谢通路鉴定。目前已在Nature Metabolism、Nature Communications、Molecular Plant等国际期刊发表70余篇相关成果。

文章链接：

?https://doi.org/10.1093/hr/uhad216

转自：“园艺研究”微信公众号

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