2024年4月4日，浙江大学潘荣辉团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Developmental Cell上以“A peroxisomal cinnamate:CoA ligase-dependent phytohormone metabolic cascade in submerged rice germination”为题发表了研究论文。该研究通过分子遗传、化学遗传、转录组、酶活测定、代谢分析等一系列手段，首次揭示了一个在水稻种子淹水发芽过程中发挥及其重要的作用并由过氧化物酶体介导的植物激素代谢级联反应通路。该研究完善了水稻中水杨酸（Salicylic acid，SA）的合成代谢过程，并明确了SA促进水稻种子淹水萌发的作用机制。浙江大学农业与生物技术学院博士生王玉康和金高晨以及浙江大学杭州国际科创中心博士后宋书言为论文共同第一作者。

  在主要农作物中，水稻（Oryza sativa L.）的重要生物学特性之一是其能在淹水缺氧条件下发芽和成苗。这一特性在水稻生产中具备极其重大的实际意义。尤其是在直播稻育种中，水稻淹水发芽和成苗能力是关键性状之一。水稻直播相对于传统的育苗移栽方式更省时省力，符合农业生产的轻简化趋势，近年来无人机直播也日益流行。然而，当前很多水稻品种的淹水发芽能力还达不到直播的要求，导致成苗率低、幼苗不健壮等。了解这种水稻特性的内在机理将有利于推动直播稻品种的培育和优化。现阶段人们对水稻淹水萌发的调控机制还知之甚少，特别是缺少能正向促进水稻淹水萌发能力的关键分子机制或处理技术。此外，水稻是一种在非免疫条件下即可积累较高水杨酸（Salicylic acid，SA）含量的物种，其SA合成主要是通过PAL途径，这中间还包括定位于过氧化物酶体中的β-氧化反应，但是迄今为止，水稻SA的PAL途径还未被完整解析，且SA对水稻种子萌发的作用也不清楚。

  本研究首先通过转录组分析发现，在水稻种子淹水萌发时，过氧化物酶体中的肉桂酰辅酶A连接酶（cinnamate:CoA ligase, CNL）被特异性地诱导表达，并且CNL功能缺失会显著削弱水稻的淹水发芽能力，说明过氧化物酶体CNL对水稻淹水萌发具备极其重大的正面作用。

  经过生化和代谢分析，本研究之后发现淹水会明显地提高种子中的SA含量，而CNL几乎负责了种子中所有因淹水缺氧导致的SA积累，因此，可以确认CNL对水稻SA合成很重要，是水稻PAL途径的核心组分。进一步研究明确了CNL的最大的作用是激活肉桂酸，使肉桂酸通过β-氧化反应转化为SA的前体苯甲酸。这进一步明确了水稻PAL途径的代谢过程。

  本研究不仅首次揭示了SA对水稻淹水萌发具备极其重大的推动作用，而且发现这种推动作用依赖于SA对生长素（indole-acetic acid，IAA）-氨基酸连接酶GH3的基因表达诱导。IAA对水稻淹水萌发具有非常明显的抑制作用，而被诱导的GH3能够最终靠氨基酸共轭化修饰使IAA失活，从而解除IAA对种子淹水萌发的抑制作用。

  图3. 过氧化物酶体介导的植物激素代谢级联在水稻种子淹水萌发过程中发挥重要作用。

  为了更好地服务水稻生产，本研究作者还在在理论研究基础上，开发了面向水稻直播的种子预处理技术。对一系列常见籼稻和粳稻品种的测试结果为，通过对水稻种子进行SA预处理，可以明显提高种子直播后的发芽率和出苗整齐度。该方法成本极低，因此有潜力成为水稻生产中一种经济有效的技术策略。

  潘荣辉，浙江大学“百人计划”研究员、博士生导师、浙江大学杭州国际科创中心“科创百人”研究员、浙江大学现代种业研究所副所长。2009年本科毕业于南京大学，2014年博士毕业于密歇根州立大学。2018年入职浙江大学，从事作物细胞代谢研究，系统解析作物能量细胞器代谢网络，重点挖掘作物能量细胞器逆境代谢和种子代谢功能。以通信作者在Trends in Biotechnology、Developmental Cell、Plant Journal、Journal of Integrative Plant Biology、Crop Journal、aBiotech等期刊发表论文，并以第一作者在PNAS、Plant Cell、New Phytologist、Journal of Integrative Plant Biology、Plant Journal等期刊发表论文，参与出版《种子学》《植物生物技术》等教材，以及Subcellular Biochemistry、Methods in Photorespiration等专著。近年来入选浙江大学“仲英青年学者”、浙江大学杭州国际科创中心“青年人才卓越计划”、浙江省“领军型创新团队”等。担任Crop Design期刊编委。课题组博士后先后获得“博新计划”、国家博士后面上资助、国际引进交流计划等国家级博士后项目支持，欢迎优秀人才联系加入本课题组。

  论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Developmental Cell上，点击“阅读原文”查看论文

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