Engineering hormonal crosstalk to enhance serotonin/melatonin levels in rice
- 作者
- Yuanjiang Cui, Xinyue Hou, An Wang, Zhengji Shao, Chaoqing Ding, Wei Xie, Longbiao Guo, Guangheng Zhang, Li Zhu, Jiang Hu, Zhenyu Gao, Guojun Dong, Qiang Zhang, Qing Li, Lan Shen, Min Hu, Qian Qian, Deyong Ren
- 杂志
- Nature Communications（2025）
- DOI
- 10.1038/s41467-025-65067-6
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在不牺牲水稻产量的前提下，提高水稻中血清素（5-HT）及其衍生物褪黑素（MT）的含量，增强其营养价值。
研究策略
解析ABA通过转录因子ABI5诱导5-HT生物合成的分子机制，并揭示5-HT反馈抑制ABA信号的调控网络；基于此激素串扰，通过遗传改造ABA代谢相关基因（NCED1-5、ABA8ox1-3）和ABA信号关键组分（ABI5、SAPK2、PP2C51），构建富含5-HT/MT的转基因水稻品系。
核心内容
本研究系统解析了水稻中脱落酸（ABA）通过转录因子ABI5促进血清素（5-HT）和褪黑素（MT）生物合成的分子机制，并发现了5-HT反馈抑制ABA信号的激素串扰调控网络。作者通过分子和生化实验证明，ABA处理可显著诱导5-HT合成通路中TDC1、TDC3和T5H的表达，其机制是ABI5直接结合这些基因启动子中的T-box/A-box/G-box基序并激活其转录。同时，5-HT通过干扰ABA诱导的PYL5-PP2C复合体形成，削弱SAPK2对ABI5的磷酸化，从而降低ABI5蛋白稳定性，反馈抑制ABA信号。关键磷酸化位点T162和T283介导SAPK2对ABI5的调控。基于该串扰机制，作者通过遗传改造ABA代谢与信号组分构建了多种转基因水稻品系，其中75%的株系5-HT含量显著提高，且多数农艺性状如千粒重和单株产量与野生型无显著差异，部分株系产量甚至增加。该研究揭示了激素信号调控神经递质代谢的新机制，为在不牺牲产量前提下功能性营养强化作物育种提供了可行策略。
创新点
1. 发现ABA通过转录因子ABI5直接结合TDC1/3和T5H启动子的T-box/A-box/G-box基序，激活5-HT合成基因表达；2. 揭示5-HT通过干扰ABA诱导的PYL5-PP2C复合体形成，削弱SAPK2对ABI5的磷酸化，从而反馈抑制ABA信号；3. 鉴定SAPK2的T162和T283为调控ABI5磷酸化的关键磷酸化位点；4. 开发出多种在不降低产量前提下显著提高5-HT/MT含量的水稻品系，其中75%的独立株系5-HT显著增加。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻（Oryza sativa） | 5-HT/MT生物合成 | OsTDC1 | 色氨酸脱羧酶1 | 催化 | 限速酶，ABA诱导表达，受ABI5转录激活 |
| 水稻（Oryza sativa） | 5-HT/MT生物合成 | OsTDC3 | 色氨酸脱羧酶3 | 催化 | 限速酶，ABA诱导表达，受ABI5转录激活 |
| 水稻（Oryza sativa） | 5-HT/MT生物合成 | OsT5H | 色胺-5-羟化酶 | 催化 | 催化色胺转化为5-HT，ABA诱导表达，受ABI5转录激活 |
| 水稻（Oryza sativa） | ABA信号 | OsABI5 | ABI5（bZIP10） | 调控 | bZIP转录因子，直接结合TDC1/3和T5H启动子的T-box/A-box/G-box基序 |
| 水稻（Oryza sativa） | ABA信号 | OsSAPK2 | SAPK2 | 调控 | SnRK2类蛋白激酶，磷酸化ABI5；T162为自身磷酸化关键位点，T283介导与ABI5互作 |
| 水稻（Oryza sativa） | ABA信号 | OsPP2C30 | PP2C30 | 调控 | 蛋白磷酸酶，去磷酸化SAPK2，抑制ABA信号 |
| 水稻（Oryza sativa） | ABA信号 | OsPP2C49 | PP2C49 | 调控 | 蛋白磷酸酶，去磷酸化SAPK2，抑制ABA信号 |
| 水稻（Oryza sativa） | ABA信号 | OsPP2C51 | PP2C51 | 调控 | 蛋白磷酸酶，去磷酸化SAPK2，也可直接与ABI5互作并使其失活 |
| 水稻（Oryza sativa） | ABA信号 | OsPYL5 | PYL5 | 调控 | ABA受体，5-HT抑制ABA诱导的PYL5-PP2C复合体形成 |
| 水稻（Oryza sativa） | ABA生物合成 | OsNCED1-5 | NCED1-5 | 催化 | ABA合成关键限速酶，过表达可提高内源ABA含量 |
| 水稻（Oryza sativa） | ABA分解代谢 | OsABA8ox1-3 | ABA8ox1-3 | 催化 | ABA 8'-羟化酶，催化ABA分解，敲除可提高ABA含量 |
关键发现
- ABA处理24小时后，水稻幼苗中5-HT和MT含量显著上升，且色氨酸向色胺转化增强（图1b-e）
- ABI5可直接结合TDC1、TDC3和T5H启动子的T-box/A-box/G-box基序，并转录激活其表达（图2）
- 过表达ABI5的株系中TDC1/3和T5H转录水平上升，5-HT/MT含量显著增加
- 5-HT处理显著抑制ABA诱导的ABI5磷酸化，并降低ABI5蛋白稳定性（图6）
- SAPK2的T162位点对于其自身磷酸化及ABI5磷酸化至关重要，T283位点介导SAPK2与ABI5的相互作用（图5）
- 在12个转基因品系中，8个（75%）品系的5-HT含量显著增加，其中6个（占5-HT增加品系的75%）MT含量也显著增加
- 多数转基因品系在千粒重、每穗实粒数、分蘖数、株高和单株产量等农艺性状上与野生型无显著差异，NCED3过表达品系单株产量显著增加。
研究结论
本研究揭示了ABA通过ABI5促进5-HT合成以及5-HT反馈抑制ABA信号的新机制，并利用该激素串扰成功培育出富含5-HT/MT且不影响产量的水稻品系，为改善作物营养品质和开发功能性食品提供了新策略。