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油料作物（如亚麻荠）生长后期叶片枯萎，荚果成为主要光合组织，已有研究支持荚果在种子灌浆期进行光合作用、贡献产量的推测，但缺乏代谢通量的综合分析；同时，种子合成油、蛋白等储存物质耗能高，呼吸产生的 CO₂浓度是环境的 600-2000 倍，部分种子可通过 Rubisco 重固定 CO₂提升碳效率，但并非所有种子都如此；而目前尚无多组织协同代谢流（代谢通量）分析，荚果光合代谢对种子产量的农业意义仍不明确，种子作为作物核心价值所在，其生殖组织的协调代谢对增产策略至关重要。2022年10月28日，Science Advances在线发表了美国唐纳德植物科学中心Doug K. Allen团队题为“Metabolic synergy in Camelina reproductive tissues for seed development”的研究论文，本研究借助13C标记与多组织代谢流量模型，量化了亚麻荠荚果光合作用对种子碳同化及生物量的关键贡献，揭示了非叶片植物结构在种子灌浆中的重要作用，为油料作物增产提供了新方向。

02 研究思路

1.亚麻荠荚果具有光合活性

种子灌浆期亚麻荠植株下部叶片发黄、光合能力下降，而荚果深绿且着生于顶部光照充足处，虽其表面积和气孔密度仅为绿叶的 15%、24%，但叶绿素与类胡萝卜素含量更高，能高效利用光照；研究通过对比完整与去籽荚果的光合测定，发现去籽荚果单位表面积净同化率为绿叶的 14%–51%（平均 30%）、是完整荚果的两倍，初步明确了荚果的净光合能力（已考虑种子释放的 CO₂），且荚果与叶片均作为源组织，通过卡尔文-本森循环（Calvin-Benson Cycle）合成糖类，共同为种子灌浆提供营养。

2. 建立评估荚果组分间碳交换的实验方法

作者开发了一套营养供应与植株体内条件及种子生物量生产相匹配的荚果标记培养系统，该系统选取结籽枝条韧皮部汁液中的主要成分——葡萄糖、苹果酸、谷氨酰胺和丙氨酸作为碳源和氮源，为研究荚果不同组分间的代谢协同与碳交换提供了实验基础。研究发现培养16小时后荚果已吸收30%–60%的碳、氮底物，据此在16小时更换培养基以延长培养周期；培养至32小时，可检测到子叶中产蛋白氨基酸与磷脂的同位素标记，证实子叶在培养期间仍持续生长并积累储存物质，其中磷脂酰胆碱（PC）的¹³C标记平均达24%，且非肯尼迪途径（Kennedy pathway，甘油-3-磷酸途径）参与了三酰甘油（TAG）与膜脂的合成；经6天延长培养后，对比发现培养荚果与植株体内种子的总蛋白、脂质水平相近，二者生长速率一致，充分证明该荚果标记培养系统能有效模拟植株体内的代谢环境，为深入解析荚果组分间的碳交换机制与代谢协同作用提供了可靠的实验方法。

Q: The Kennedy Pathway

A: 肯尼迪途径（Kennedy pathway），又称甘油-3-磷酸途径，是所有生物（植物、动物、微生物）合成三酰甘油（TAG，种子储存脂质的核心）的经典、主流基础途径，也是油料作物种子（如亚麻荠）早期 TAG 合成的核心通路，非Kennedy pathway以磷脂酰胆碱（PC）为核心中间物（既是细胞膜结构脂，也是脂肪酸修饰平台），通过一步酰基转移反应直接生成 TAG，完美适配种子灌浆期的高油分积累需求。

3.韧皮部代谢物与荚果同化的CO₂共同参与荚果代谢

通过向亚麻荠完整荚果在光照 / 黑暗条件下供应 ¹³CO₂、经叶柄供应 [U-¹³C]-glucose，以及联合供应 ¹³CO₂与[U-¹³C]-glucose，利用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）追踪同位素标记掺入情况，系统解析了荚果的碳代谢来源；实验发现，作为 Rubisco 催化光合直接产物的磷酸甘油酸（3-PGA），在光照下¹³CO₂处理组标记率达64%，而黑暗条件下及¹³C葡萄糖单独处理组的¹³C-PGA标记率仅不足4.1% 和约6%，有机与无机同位素碳源联合供应时PGA标记率升至 74%（接近单一碳源标记率总和），且己糖磷酸在¹³CO₂与¹³C-glucose联合供应时富集度近乎翻倍，直接证实荚果光合同化作用显著，且其同化的 CO₂与韧皮部输入糖类贡献的碳量相当；进一步分析显示，¹³CO₂标记主要富集于光合相关中间产物（如丝氨酸），而己糖磷酸、蔗糖等产物可由两种碳源共同生成。苹果酸等有机酸能标记丙酮酸，证实存在苹果酸酶介导的回补反应。综上，亚麻荠荚果并非依赖单一碳源，而是能协同利用大气CO₂进行光合固碳，同时高效利用韧皮部输送的葡萄糖、苹果酸等多种有机碳，通过卡尔文循环和回补反应等途径整合无机与有机碳源，共同支持荚果代谢与种子灌浆。

Q: Average 13C Enrichment

A: 通过质谱分析获得代谢物各同位素体（M0 至 Mn）的峰面积，在对原始数据扣除背景噪音并校正天然¹³C丰度后，使用以下公式计算同位素体分布【通常称为质量同位素体分布（MID）】以及平均同位素富集度。其中，C表示校正后的同位素体丰度，n表示代谢物中碳原子的总数：

通过同位素示踪、叶片与荚果遮阴及荧光黄染料示踪等实验，系统解析了亚麻荠光合荚果对发育种子的碳供应作用：种子主要由种皮、胚乳和子叶构成，油料作物成熟时生物量多集中于子叶，同位素分析显示，向完整或部分切开的荚果供应¹³CO₂后，种子代谢物标记无显著差异，且种子无气孔、呼吸不受光照影响，证实子叶中的¹³C 掺入源于荚果光合同化而非种子自身光合；单独供应的同位素示踪剂以不同节点进入子叶代谢网络，其中糖代谢、糖酵解及磷酸戊糖途径的磷酸化中间产物被¹³CO₂和¹³C-glucose大量标记，荚果光合同化产物贡献了种子接收碳的22%–46%，亚麻荠荚果在种子灌浆开始时已停止生长，其光合产物专门用于种子代谢；在种子发育初期对叶片或荚果遮阴45天后，种子生物量均降至未遮阴植株的79%–80%，表明荚果与叶片均对种子生物量有显著贡献，而亚麻荠的无限花序特性使荚果在植株生命周期后半段持续发育，当叶片因衰老光合面积锐减时，荚果在后期荚果的有活力种子形成中作用进一步增强；荧光黄染料示踪则证实，代谢物可在10小时内从荚果运输至种子内部，且韧皮部通量为单向，染料仅在荚果与附着种子、果柄间流动，相邻荚果间无代谢物交换，进一步明确了荚果作为种子局部营养源的核心功能，同时也揭示了荚果光合对种子发育的关键支撑作用。

5.蔗糖和谷氨酰胺是从荚果向发育种子运输的主要代谢物

作者接着通过 [U-¹³C]-glucose、[U-¹³C] -sucrose、[U-¹³C₄]-malate、[U-¹³C5]-glutamine等多种同位素标记实验，系统追踪了亚麻荠荚果向发育种子子叶的代谢物运输规律，明确蔗糖（sucrose）和谷氨酰胺（glutamine）是核心运输代谢物：其中 [U-¹³C]-glucose标记下，16小时时荚果与子叶蔗糖库的¹³C富集度相近，直接证实蔗糖从荚果向子叶的直接运输，且子叶中绝对¹³C标记蔗糖库比葡萄糖库大，是子叶最主要的输入糖，蔗糖经胚乳蔗糖转运池在荚果与子叶间运输（并非韧皮部糖直接转运至种子），标记实验中出现的 M6、M12 外的其他同位素异构体，是荚果对未标记 CO₂进行碳同化发生重排的结果；有机酸与氨基酸运输方面，苹果酸无法直接从荚果或韧皮部运输至子叶，而是在荚果内经三羧酸（TCA）循环代谢转化为谷氨酰胺后，以完整形式转运至子叶，而标记丙氨酸的供应则未使子叶任何代谢物出现标记富集，此外胚乳虽分隔荚果与子叶，但并非同化产物直接传递的紧密关联结构，整体揭示了荚果向种子运输的代谢物以蔗糖和谷氨酰胺为主，且二者的运输路径与代谢转化机制存在显著差异。

6.多组织通量分析揭示荚果组分协同作用，证实荚果同化碳对种子灌浆的贡献为 33%~45%

基于八项标记实验构建同位素非稳态代谢通量分析（INST-MFA）网络，系统解析亚麻荠种子灌浆期荚果多组织的碳分配与协同效应，证实荚果同化碳对种子碳经济的贡献达 33%~45%；尽管单位面积荚果同化碳水平仅为叶片的30%，但因荚果碳仅定向供应种子灌浆，其相对贡献占营养组织总贡献的68%，输入子叶的碳中19%来自葡萄糖、59%来自蔗糖、22%来自谷氨酰胺；荚果内表面以异养代谢为主（受韧皮部输入代谢物调控）、外表面以自养代谢为主（负责环境 CO₂固定），内表面还可固定少量种子呼吸释放的CO₂，胚乳中的葡萄糖库可向子叶供应未标记葡萄糖，模型通过纳入亚细胞区室化解析了同位素异构体差异，且该通量图谱经 LC-MS/MS、LI-COR 等独立测量验证，同时明确了荚果与子叶间通过蔗糖、谷氨酰胺及呼吸 CO₂的组织间运输实现的代谢互作。

Q: 亚细胞区室化如何解析同位素标记差异

A: 在亚麻荠的代谢研究里，用通俗的话来讲就是：给细胞的不同 “功能隔间” 分区检测，弄明白同一种代谢物标记模式却不一样的原因。研究者最初直接检测整体细胞的代谢物，发现己糖磷酸、尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）的标记模式差异很大，却无法解释背后的原因。在引入亚细胞区室化分析后，将不同隔间的代谢物分开考量：己糖磷酸同时存在于细胞质和质体中，两个隔间的合成路径、碳源完全不同，因此拥有截然不同的标记模式；而 UDPG 仅在细胞质中合成，标记模式只和细胞质的己糖磷酸匹配。通过这种分区分析的方式，了解代谢物标记差异的根源，让亚麻荠种子的碳代谢研究结果更加精准可靠。

7.亚麻荠荚果高效利用碳用于种子发育

研究进一步揭示了亚麻荠荚果支撑种子发育的碳高效利用机制。虽然幼嫩种子自身的碳利用效率较低（32%–40%），但在荚果协同作用下，种子可将输入碳的生物量转化率提升至63%。种子代谢过程中，约46.5%的输入碳通过氧化磷酸戊糖途径等以CO₂形式释放，其中9.4%在种子内重新固定，另有7%可被荚果再次固定，使整个荚果-种子系统能利用70%输送至子叶的碳。荚果具有显著的光合能力，其Rubisco活性较高，可为种子贡献33%–45%的碳源，有效弥补叶片衰老期的光合不足。荚果发育与种子灌浆期同步，且气孔少、叶绿素含量高，在节能的同时增强了逆境适应性。研究还发现，叶片与荚果各自可支持近80%的种子产量，二者形成了光合冗余。通过工程化手段增强库强度以优化同化物分配，有望进一步提升作物生产力及在低碳环境中的适应能力。

本研究通过¹³C标记与多组织代谢流量模型，首次量化了亚麻荠荚果光合对种子碳源的直接贡献，揭示了果实在种子发育中扮演的关键碳补充角色。研究进一步发现，荚果在叶片缺失时仍能支持约79%的种子生物量，说明其具备可观的“代偿光合”潜力。这一发现从植物结构功能协同的角度，为通过优化生殖器官光合效率以提高作物产量提供了新的理论与技术途径。