近日，南方科技大学生命科学学院生物系副教授黄安诚课题组在Nature Communications杂志上在线发表题为“NAD⁺ deficiency primes defense metabolism via 1O2-escalated jasmonate biosynthesis in plants ”的研究论文，揭示了拟南芥NAD⁺合成缺陷激活单线态氧产生、加剧植物防御激素茉莉酸合成，促发植物防御相关代谢从而增强抗性的分子机制。

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD⁺）作为辅酶和底物参与细胞氧化还原与能量转化等众多反应，其稳态对生物的正常代谢、生长发育以及逆境胁迫应答至关重要。在植物中，NAD⁺由从头合成和补救合成这两种途径共同产生及维持，支撑细胞正常生理生化活动进行。近年来研究发现，NAD⁺的水解产物作为重要的信号分子能够介导植物的免疫反应。NAD⁺从头合成过程中，关键酶QS突变引起的NAD⁺缺失会导致植物出现发育异常，进而引发植物无法正常应对高盐、干旱等逆境，突显了NAD⁺稳态在植物生长发育和胁迫应答中的重要性，NAD⁺降解和合成缺陷则均能导致其含量降低。前期研究多集中于NAD⁺降解及其降解产物对植物等生物影响及其机制解析，然而因NAD⁺合成缺陷对植物等生物的代谢和抗性影响及相关分子机制仍不清晰。

图1. NAD稳态调控“生长-防御抗（虫）性”平衡的分子模型

在该研究中，研究人员利用前期获得的拟南芥NAD⁺合成缺陷突变体qs-2，通过转录组和非靶向代谢组进行整合组学分析，发现NAD⁺合成缺陷却显著增强拟南芥中芥子油苷等次级代谢产物合成与积累。芥子油苷是十字花科植物中一类含硫含氮的特殊次级代谢产物，目前已知在植物应答环境胁迫中发挥重要功能。进一步遗传与生理生化实验结果显示，NAD⁺合成缺陷导致植物（qs-2突变体）中脂肪芥子油苷的高度积累增强了对棉铃虫的抗性，且芥子油苷积累和抗虫活性依赖于防御激素茉莉酸的合成和转导。通过对茉莉酸及其合成通路中间产物靶向进行定量分析，发现NAD⁺合成突变体qs-2中茉莉酸合成的第一步——亚麻酸的过氧化反应被特异高度激活，且该过程高度依赖于叶绿体中特殊活性氧——单线态氧的产生，从而揭示了植物中一条新颖的NAD⁺从头合成缺陷激活单线态氧和防御激素茉莉酸合成，进而增强抗性的信号转导通路。

研究人员在烟草系统和野生型拟南芥虫咬应答条件下复现了NAD⁺含量降低激活单线态氧和茉莉酸合成的信号转导通路，表明此信号转导通路能够在植物调节自身代谢以平衡生长与抗性中起重要作用。因此，本项研究首次揭示了“NAD⁺稳态->单线态氧激活->茉莉酸合成转导->次级代谢产物（芥子油苷）合成”的完整应答通路介导植物抗（虫）性防御反应的分子机制，从而提出了NAD⁺稳态是平衡植物生长与抗（虫）性的关键“代谢监测点”（metabolic checkpoint）的分子模型（图1），为深入了解植物—环境互作的信号转导机制与代谢基础提供了新见解，也为植物抗性改造和育种增添了理论基础。

原黄安诚课题组博士后、现前沿生物技术研究院研究助理教授洪烨淳和黄安诚课题组博士研究生余宗峻为本论文的并列第一作者，黄安诚为论文通讯作者，南科大为唯一通讯单位。南科大生命科学学院生物系研究助理教授周倩为本论文的生信分析，特别是整合组学分析方法的开发提供了重要支撑；郭红卫课题组高级研究学者陈春雨、黄安诚课题组博士后郝宇琼以及安徽农业大学王镇教授为本论文提供了实验技术支持；生命科学学院郭红卫讲席教授和朱健康院士对该工作给予了重要指导和帮助。该研究得到国家自然科学基金、深圳市科技创新人才项目、中国博士后科学基金、广东省与深圳市重点实验室、深圳市博士后留深资助、南方科技大学校长卓越博士后等项目资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51114-1?utm_source=rct_congratemailt&utm_medium=email&utm_campaign=oa_20240806&utm_content=10.1038/s41467-024-51114-1

供稿：生命科学学院

通讯员：付文卿

编辑：任奕霏