揭示土豆叶片屏障形成的关键：软木脂转运蛋白 StABCG1 的重要作用

为探究软木脂在土豆叶片伤口愈合中的作用，研究人员编辑 StABCG1 基因，发现其影响屏障形成，意义重大。

　　在植物的世界里，土豆是我们常见且重要的农作物。当土豆叶片受伤时，它会启动一系列神奇的自我保护机制来愈合伤口、抵御外界侵害。然而，长期以来，人们对土豆叶片应对伤口的具体过程和其中的关键因素了解并不深入。尤其是软木脂（Suberin）在这一过程中究竟扮演着怎样的角色，一直是个有待解开的谜团。为了深入探究这些问题，来自德国莱布尼茨植物生物化学研究所（Leibniz Institute of Plant Biochemistry）等机构的研究人员展开了一项重要研究，相关成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员运用了多种关键技术方法。在基因编辑方面，利用 CRISPR-Cas9 技术对软木脂转运蛋白基因 StABCG1 进行编辑，构建出功能缺失突变体。在基因表达分析上，通过 qRT-PCR 技术检测相关基因的转录水平，以此了解基因在不同处理条件下的表达变化情况。此外，还运用 RNA 测序和非靶向代谢物分析技术，从转录组和代谢组层面全面探究伤口愈合过程中的变化。

研究结果如下：

• 软木脂生物合成基因的表达：通过对 Pep-13 处理和受伤的土豆叶片进行 qRT-PCR 分析，发现软木脂生物合成相关基因，如 FATTY ACID REDUCTASE1（StFAR1）、FATTY ACID OMEGA-HYDROXYLASE（StCYP86A33）、FERULOYLHYDROXYCINNAMOYL TRANSFERASE（StFHT）以及软木脂转运蛋白基因 StABCG1，在 Pep-13 处理和受伤后均被诱导表达。这表明在土豆叶片受到刺激时，软木脂的生物合成过程被激活。
• 转录组和代谢组的变化：对受伤叶片进行 RNA 测序和非靶向代谢物分析。转录组分析显示，受伤后，与细胞壁修饰和防御反应相关的基因大量表达。在受伤 3 天后，有 21 个基因表达至少提高 100 倍，其中 15 个基因与细胞壁修饰或强化相关；7 天后，15 个高表达基因中有 13 个与细胞壁过程相关。同时，防御相关基因也显著上调。代谢组分析发现，受伤组织中羟基肉桂酸酰胺（HCAAs）大量积累，其中阿魏酰酪胺积累水平最高。这说明在伤口愈合过程中，细胞壁的修复和强化以及防御反应是主要的诱导过程，且 HCAAs 在这一过程中发挥重要作用。
• CRISPR-Cas9 编辑植株的特性：利用 CRISPR-Cas9 技术成功编辑 StABCG1 基因，获得多个编辑植株。对这些植株的分析发现，编辑后的植株中 StABCG1 转录水平显著降低，受伤组织的软木脂化程度明显减少，且伤口周围组织出现明显褐变。这表明 StABCG1 基因的编辑影响了软木脂的形成，进而影响了伤口组织的正常修复。
• RNA 序列分析：对野生型和 StABCG1-CRISPR 植株受伤后的叶片进行 RNA 测序。结果显示，在受伤 3 天后，StABCG1-CRISPR 植株中有 599 个基因表达上调超过 2.5 倍，其中高表达基因多为编码病程相关（PR）蛋白的基因，同时参与芳香族氨基酸生物合成和苯丙烷途径的基因也显著上调。这表明软木脂缺失的受伤组织会优先刺激合成芳香族氨基酸衍生的防御和细胞壁强化化合物。
• 代谢组学分析：对受伤叶片进行非靶向代谢物分析，发现 StABCG1-CRISPR 植株受伤后代谢物模式发生显著变化。虽然阿魏酰酪胺在受伤的 StABCG1-CRISPR 植株中含量减少，但其他一些 HCAAs，如阿魏酰章鱼胺、阿魏酰去甲肾上腺素等含量大幅增加，还有一些在野生型中几乎检测不到的化合物在 CRISPR 植株中大量出现。这进一步证明软木脂形成减少会导致受伤组织代谢物模式的改变。

研究结论和讨论部分指出，受伤的土豆植株会尝试通过重新合成酚类物质来弥补软木脂屏障形成的缺失，但这些酚类物质的积累并不能形成有效的屏障。这一研究揭示了软木脂在土豆叶片伤口愈合过程中对于形成有效屏障的重要性，为深入理解植物伤口愈合机制提供了关键信息，也为后续通过调控相关基因来提高植物对伤口和病原体的抵抗能力奠定了理论基础，有助于推动农业领域作物保护技术的发展。