近日，“药用植物资源与分子生物学”实验室团队在生物化学国际期刊《International Journal of Biological Macromolecule》（IF 6.953）发表题为“A phenylalanine ammonia lyase from Fritillaria unibracteata promotes drought tolerance by regulating lignin biosynthesis and SA signaling pathway”的研究论文，该论文以西南交通大学生命科学与工程学院为通讯单位，秦余、李秋娥、安秋菊、李德鑫、黄思沛、赵咏洋与陈维嘉参加研究工作，廖海与周嘉裕为共同通讯作者。
暗紫贝母(Fritillaria unibracteata)为百合科多年生草本植物，主要分布于四川、西藏、青海等高原地带（海拔3000~4500米），属于典型的高原(Alpine)植物。暗紫贝母作为四川重要的名贵道地药材——川贝母的传统基原植物之一，其干燥鳞茎具有清热润肺，止咳化痰，镇静平喘，抗炎降压等多种功效，被誉为“止咳圣药”。由于暗紫贝母等高原植物在生长过程中，受到了干旱、低温与紫外线照射等不利环境因素的影响，因此以高原植物为研究资源，发现响应环境胁迫的关键基因，能够为认识高原植物的环境胁迫响应机制，并为抗旱基因工程提供高效功能基因奠定基础。
苯丙氨酸解氨酶(Phenylalanine ammonia-lyase，PAL，EC4.3.1.5)催化苯丙烷代谢途径的第一步反应，催化苯丙氨酸发生非氧化脱氨形成反式肉桂酸。PAL作为苯丙烷类化合物代谢的第一个限速酶，能够调控木质素、黄酮、异黄酮与生物碱等物质的合成代谢。然而， PAL基因是否能够参与植物干旱胁迫响应的正向证据仍然较少，因此，本研究基于暗紫贝母转录组数据，发现了3个PAL成员，其中FuPAL1含有非典型的Ser-Ser-Gly三联体。通过在大肠杆菌中异源表达，纯化获得FuPAL1重组蛋白，酶学性质分析发现FuPAL1对苯丙氨酸具有较高的底物偏好性及催化效率；并利用同源性建模和位点突变的方法证明Phe141， Ser208，Ile218与Glu490是FuPAL1发挥催化作用及选择性的关键位点；也证实Ser-Ser-Gly三联体发生自身环化，形成MIO辅基参与酶的催化过程。
图1 FuPAL1和FuPAL1-Phe复合物的三维结构
随后，将FuPAL1基因在模式植物拟南芥中过量表达，获得转基因植物。在干旱胁迫处理下，转基因植物在侧根数量、叶面积与植物鲜重等指标明显优于野生型植物，表明转基因植物的抗旱能力更强。同时，相较于野生型植物，转基因植物中的总木质素含量增加了119.49％至128.14％（p <0.01）。干旱胁迫下，野生型和FuPAL1转基因植物的木质素含量分别增加了 142.9% 和 126.0% ( p < 0.05)。此外，非干旱与干旱胁迫条件下，转基因植物中的水杨酸含量均明显超过野生型植物，范围为 32.58 ug/g 至 36.68 ug/g（平均值）（p < 0.05）。综合以上数据，表明FuPAL1基因的过表达能够促进木质素与水杨酸的生物合成和积累，其中木质素能够直接提高植物细胞壁的机械强度；而水杨酸作为一种植物防御激素，激活水杨酸信号途径，从而共同提高植物的耐旱能力。以上研究成果，证实了FuPAL1在植物抗旱生理过程中的重要作用，并为其抗旱分子机制的系统阐明奠定了理论基础，同时也为抗旱遗传工程提供了一个有效的候选基因。
图2 转FuPAL1基因和野生型植株的表型
以上研究得到国家基金项目（31500276）、四川省重点研发项目（2018SZ0061，2021ZHFP0170）、四川省中医药管理局项目（2021MS116）、中央高校基础研究项目（2682021ZTPY017）的联合资助。
