PBJ | 北京林业大学王若涵团队建立植物线粒体饲喂示踪技术体系，揭示丙酮酸代谢新机制

生热植物通过短时间内爆发式释放热能维持花部适宜温度，进而显著提升受精与结实效率，其背后线粒体能量代谢的精密调控机制，一直是植物学领域的研究热点。然而，由于线粒体的复杂动态特性，这种短时间高强度生热过程中的代谢调控网络解析，一直是领域内的研究瓶颈。

近日，北京林业大学王若涵教授团队针对这一核心瓶颈持续攻关，在植物学权威期刊Plant Biotechnology Journal在线发表了题Multi-omics Combined with Mitochondrial Feeding Assays Reveal a Novel Energy Metabolism Strategy for Floral Thermogenesis in Magnolia Driven by Synergistic Supply of Multiple Substrates的研究论文。团队创新性构建 “线粒体饲喂 + 同位素示踪 + 多组学” 整合技术体系，成功揭示了玉兰（Magnolia denudata）开花生热过程中丙酮酸 “双通路协同” 供能新机制，颠覆了植物学领域对丙酮酸代谢的传统认知，更为解析树木能量代谢高效转换机制提供了全新方法参考。

核心突破：丙酮酸“双通路协同”供能新机制颠覆传统认知

丙酮酸作为细胞呼吸关键中间产物，是植物产热的核心“燃料”。传统观点认为，植物线粒体中的丙酮酸主要依赖线粒体丙酮酸载体（MPC）从细胞质运输进入，而 NAD - 苹果酸酶（NAD-ME）介导的线粒体内丙酮酸合成仅为 “应急途径”，仅在 MPC 功能受损时启动。

研究通过高分辨红外成像联合同位素标记线粒体饲喂实验体系发现：玉兰开花生热高峰期，MPC 介导的胞质丙酮酸输入与 NAD-ME 介导的线粒体内丙酮酸合成形成“双通路协同”模式，共同支撑高强度产热需求。巧妙的是，当双通路协同作用时，NAD-ME 来源的丙酮酸对三羧酸（TCA）循环的贡献显著高于 MPC途径，这一发现不仅打破了以往对丙酮酸代谢的传统认知，更填补了植物短时间高强度生热代谢调控机制的研究空白。

图 1 线粒体饲喂示踪解析MPC与NAD-ME来源丙酮酸对TCA循环贡献

代谢交响曲：多底物巧妙联动支撑爆发式产热

除丙酮酸代谢的创新性发现外，团队进一步解析了产热高峰期的 “多底物协同供能网络”：糖酵解、三羧酸（TCA）循环、氧化磷酸化等核心能量通路关键基因被显著激活；50% 的ATP合酶基因显著下调，暗示玉兰产热时会主动“牺牲”部分ATP合成，将能量分配重心向“热量释放”倾斜，这与产热期交替氧化酶（AOX）的高表达形成协同，共同将能量以热量形式高效释放。

靶向脂质组分析显示，产热期 63.6% 的脂肪酸含量显著下降，甘油三酯（TG）快速降解；同时，脂肪酸 β- 氧化通路关键酶基因高表达，表明脂肪酸可通过 β- 氧化生成乙酰 - CoA 汇入 TCA 循环。此外，丙氨酸转氨酶（AlaAT）和谷氨酸脱氢酶（GDH）基因的上调，进一步揭示氨基酸可通过转氨基、脱氨基作用转化为 TCA 循环中间产物。最终形成“碳水化合物 - 脂肪酸 - 氨基酸” 多底物联动供能模式，为爆发式产热提供充足能量保障。

图 2 玉兰生热时多来源底物协同供应模式

综上，该研究创新构建 “线粒体饲喂 + 同位素示踪 + 多组学” 整合技术体系，不仅完整解析了植物产热的多底物协同调控机制，打破了传统单一底物研究的壁垒，更为解析树木复杂能量调控网络提供了普适性技术方案，同时为模式与非模式植物能量代谢研究奠定了可复用的方法学参考。

北京林业大学在读博士研究生王思钦为第一作者，王若涵教授为通讯作者，课题组多名研究生参与研究。本研究得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费支持。

http://doi.org/10.1111/pbi.70479

作者简介：

通讯作者：王若涵，北京林业大学教授，博士生导师。致力于植物生长发育及能量代谢调控，种质资源筛选保护及应用等方面研究，创新性成果发表在《Plant Physiology》、《Plant Biotechnology Journal》、《Plant Journal》、《Plant Cell & Environment》及《中国科学-生命科学》、《科学通报》等国内外知名学术期刊。主持国家自然科学基金项目，国家“十三五”及“十四五”重点研发课题等国家级项目，撰写国家级规划教材及著作3部，授权发明专利多项。创制木兰科树种种质高效筛选及繁育技术，在北京、广东、贵州、河北等省市数家企业推广应用，取得了显著的生态、经济和社会效益，研究成果获北京市优秀青年科技论文一等奖等荣誉称号，入选北京高校“青年英才计划”。

第一作者：王思钦 在读博士