Nature Commun | 巫永睿/王文琴团队揭示玉米苯丙氨酸合成新机制

苯丙氨酸（Phe）是植物体内最重要的芳香族氨基酸之一，既为木质素、水杨酸、黄酮类等数千种酚类化合物提供碳骨架来源，也是人体必需氨基酸。然而，植物细胞中苯丙氨酸合成的亚细胞区室长期以来一直悬而未决，是植物代谢研究领域的一个重要空白。

近日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究员与上海师范大学王文琴教授团队合作在Nature Communications在线发表题为A Plastoglobuli-Localized Enzyme Links Phenylalanine Biosynthesis to Translational Homeostasis in Maize的研究论文。该研究首次揭示，玉米7个芳香族氨基酸脱水酶（Arogenate dehydratase，ADT）均定位于叶绿体质体小球（Plastoglobuli, PGs），并证明ADT2.2具有高效催化活性，是玉米苯丙氨酸合成的关键酶。进一步研究发现，胚乳中苯丙氨酸的缺乏会特异性降低tRNAPhe-GAA的氨酰化水平，进而导致核糖体在摇摆配对密码子（TTT）处发生显著暂停，而对由Watson-Crick碱基互补配对解码的密码子TTC则无显著影响。该研究建立了Phe代谢、tRNA氨酰化与密码子特异性翻译调控之间的直接联系，为理解植物氨基酸代谢如何影响翻译稳态和种子发育提供了新的机制框架。

质体小球：苯丙氨酸合成的新场所

芳香族氨基酸在植物中由分支酸（Chorismate）经莽草酸途径衍生而来。此前研究认为，Phe主要由叶绿体中的Arogenate途径合成。然而，这一途径中关键酶ADT在叶绿体内部的区室分布始终是谜。研究团队发现玉米基因组共有7个基因编码ADT蛋白，通过酵母双杂交（Y2H）及免疫共沉淀-质谱（Co-IP/MS）证实，这些成员能够形成同源和异源多聚体复合物，这可能有助于提升Phe合成通量。进一步研究表明，所有ADT蛋白均在叶绿体内形成点状结构，并锚定于PGs上。质体小球作为类囊体膜相关的脂蛋白颗粒，已知参与类胡萝卜素、生育酚等类异戊二烯代谢及叶绿体稳态调控，然而其与芳香族氨基酸代谢的关联此前从未被报道。该研究首次赋予质体小球苯丙氨酸合成的生物学功能，从根本上刷新了人们对这一细胞器功能边界的认知。

ADT2.2高效催化苯丙氨酸的合成

尽管7个ADT家族成员在蛋白质序列上高度相似（如ADT2.2与ADT2.1的相似性达85%），但其是否均具备催化活性尚待验证。为此，研究团队通过化学合成获得高纯度Arogenate底物，并在体外反应体系检测了7种重组ADT蛋白的催化活性。结果表明，ADT2.2能够高效催化Arogenate转化为Phe；而ADT6.2和ADT6.3表现出微弱活性，其余4个成员则未检测到活性。苯丙酮酸（Phenylpyruvate, PPY）途径作为植物合成Phe的替代途径，研究人员发现ADT2.2亦可催化预苯酸（Prephenate）转化为PPY，说明玉米中Phe合成同时存在Arogenate途径和PPY途径，而ADT2.2是这两条途径共有的关键酶。这一结果为基因家族扩张后酶功能分化提供了一个典型实例：在开花植物进化历程中，Adt基因家族虽经多次复制扩增，但多数成员的催化关键残基发生了替换，导致催化活性丧失，仅ADT2.2保留了催化Arogenate和Prephenate的双重底物特异性。

图1：ADT2.2催化Phe合成

ADT2.2功能缺失导致植株异常发育和胚乳灌浆缺陷

为从遗传层面验证ADT2.2是Phe合成的核心因子，研究团队利用CRISPR/Cas9技术构建了7个Adt成员的单基因敲除突变体。表型分析显示，仅adt2.2表现出明显的植株矮化，其叶片Phe含量降低至野生型的56.67%，茎秆木质素含量显著降低，而其余6个突变体均无明显表型。adt2.2胚乳醇溶蛋白（zein）和非醇溶蛋白（non-zein）含量及蛋白体结构均受到严重影响，籽粒总蛋白含量大幅下降，百粒重显著降低。定量分析表明，18 DAP（Days after pollination）adt2.2胚乳中Phe含量仅为野生型的4.31%，而另外有17种氨基酸含量均显著升高，其中谷氨酰胺（Gln）和亮氨酸（Leu）上调超7倍。这说明细胞在Phe极度缺乏的情况下，胚乳主动上调其他氨基酸代谢通路以应对代谢压力。

Phe饥饿抑制翻译：密码子特异性核糖体暂停新机制

RNA-seq分析发现，adt2.2胚乳中5525个基因显著上调表达，而仅878个下调表达。GO富集分析表明，上调基因主要集中于翻译、mRNA加工、tRNA代谢、核糖体装配等过程，提示细胞存在翻译抑制时的补偿性反馈调节。真核生物Phe由TTT和TTC两个密码子编码，但其均由tRNAPhe-GAA负责解码（其中TTT通过摇摆配对识别）。Northern印迹杂交显示，野生型中所有的tRNAPhe-GAA都是带电的状态，而adt2.2胚乳中几乎检测不到带电的tRNAPhe-GAA。这暗示了ADT2.2功能缺失可能抑制了胚乳细胞的翻译。Ribo-seq分析进一步发现：在adt2.2胚乳中，核糖体A位点暂停事件在TTT密码子处显著增加，而TTC密码子受到的影响较小。由于TTT密码子经摇摆配对（G-U wobble）解码，研究团队提出：在氨基酸饥饿条件下，摇摆配对密码子的解码效率比Watson-Crick配对密码子更易受到影响，呈现出更严重的核糖体A位点暂停。全基因组分析鉴定到12,321 TTT-A位点特异性翻译暂停事件，涉及RNA剪接、核糖体生物发生、mRNA结合、rRNA加工等广泛生物过程。此外，研究还发现adt2.2胚乳中mTORC1-S6K磷酸化水平显著降低，而GCN2-eIF2α（S51）磷酸化水平显著上升，提示细胞通过多重信号通路协同应对Phe饥饿引发的代谢与翻译压力。

图2：Phe饥饿抑制摇摆配对密码子解码

综上，该研究不仅首次将苯丙氨酸合成锚定于叶绿体质体小球这一新型区室，刷新了人们对植物芳香族氨基酸代谢空间组织的认知，更揭示了ADT2.2作为代谢枢纽在维持胚乳发育与蛋白质翻译稳态中的核心地位。尤为重要的是，该工作发现了氨基酸饥饿通过tRNA氨酰化水平差异调控密码子依赖性翻译暂停的全新机制，为理解代谢信号如何经由翻译机器反馈调控基因表达提供了全新视角。这一发现不仅在基础层面拓展了植物氮素代谢与翻译调控交叉领域的理论框架，也为高蛋白玉米育种及氨基酸代谢工程提供了明确的分子靶点和遗传资源。

图3：PGs介导玉米苯丙氨酸的合成，从而维持代谢和翻译的稳态。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究员与上海师范大学王文琴教授为本文共同通讯作者。博士后黄兴（中国科学院分子植物科学卓越创新中心）、研究生曹瑜伟（上海师范大学）为共同第一作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心王琼、吴兴国、苏语；安徽农业大学李长生教授；上海师范大学研究生冯娇娇、杨雨佳共同参与了该研究工作。研究得到上海市科学技术委员会、国家自然科学基金委、科学探索奖/新基石科学基金会、上海尚思自然科学研究院、山东省重点研发计划、国家自然科学基金青年科学基金项目C类及国家特别资助博士后项目B类资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-75531-6