PBJ | 北京林業大學王若涵團隊建立植物線粒體飼喂示蹤技術體系，揭示丙酮酸代謝新機制

生熱植物通過短時間內爆發式釋放熱能維持花部適宜溫度，進而顯著提升受精與結實效率，其背后線粒體能量代謝的精密調控機制，一直是植物學領域的研究熱點。然而，由于線粒體的復雜動態特性，這種短時間高強度生熱過程中的代謝調控網絡解析，一直是領域內的研究瓶頸。

近日，北京林業大學王若涵教授團隊針對這一核心瓶頸持續攻關，在植物學權威期刊Plant Biotechnology Journal在線發表了題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的研究論文。團隊創新性構建 “線粒體飼喂 + 同位素示蹤 + 多組學” 整合技術體系，成功揭示了玉蘭（Magnolia denudata）開花生熱過程中丙酮酸 “雙通路協同” 供能新機制，顛覆了植物學領域對丙酮酸代謝的傳統認知，更為解析樹木能量代謝高效轉換機制提供了全新方法參考。

核心突破：丙酮酸“雙通路協同”供能新機制顛覆傳統認知

丙酮酸作為細胞呼吸關鍵中間產物，是植物產熱的核心“燃料”。傳統觀點認為，植物線粒體中的丙酮酸主要依賴線粒體丙酮酸載體（MPC）從細胞質運輸進入，而 NAD - 蘋果酸酶（NAD-ME）介導的線粒體內丙酮酸合成僅為 “應急途徑”，僅在 MPC 功能受損時啟動。

研究通過高分辨紅外成像聯合同位素標記線粒體飼喂實驗體系發現：玉蘭開花生熱高峰期，MPC 介導的胞質丙酮酸輸入與 NAD-ME 介導的線粒體內丙酮酸合成形成“雙通路協同”模式，共同支撐高強度產熱需求。巧妙的是，當雙通路協同作用時，NAD-ME 來源的丙酮酸對三羧酸（TCA）循環的貢獻顯著高于 MPC途徑，這一發現不僅打破了以往對丙酮酸代謝的傳統認知，更填補了植物短時間高強度生熱代謝調控機制的研究空白。

圖 1 線粒體飼喂示蹤解析MPC與NAD-ME來源丙酮酸對TCA循環貢獻

代謝交響曲：多底物巧妙聯動支撐爆發式產熱

除丙酮酸代謝的創新性發現外，團隊進一步解析了產熱高峰期的 “多底物協同供能網絡”：糖酵解、三羧酸（TCA）循環、氧化磷酸化等核心能量通路關鍵基因被顯著激活；50% 的ATP合酶基因顯著下調，暗示玉蘭產熱時會主動“犧牲”部分ATP合成，將能量分配重心向“熱量釋放”傾斜，這與產熱期交替氧化酶（AOX）的高表達形成協同，共同將能量以熱量形式高效釋放。

靶向脂質組分析顯示，產熱期 63.6% 的脂肪酸含量顯著下降，甘油三酯（TG）快速降解；同時，脂肪酸 β- 氧化通路關鍵酶基因高表達，表明脂肪酸可通過 β- 氧化生成乙酰 - CoA 匯入 TCA 循環。此外，丙氨酸轉氨酶（AlaAT）和谷氨酸脫氫酶（GDH）基因的上調，進一步揭示氨基酸可通過轉氨基、脫氨基作用轉化為 TCA 循環中間產物。最終形成“碳水化合物 - 脂肪酸 - 氨基酸” 多底物聯動供能模式，為爆發式產熱提供充足能量保障。

圖 2 玉蘭生熱時多來源底物協同供應模式

綜上，該研究創新構建 “線粒體飼喂 + 同位素示蹤 + 多組學” 整合技術體系，不僅完整解析了植物產熱的多底物協同調控機制，打破了傳統單一底物研究的壁壘，更為解析樹木復雜能量調控網絡提供了普適性技術方案，同時為模式與非模式植物能量代謝研究奠定了可復用的方法學參考。

北京林業大學在讀博士研究生王思欽為第一作者，王若涵教授為通訊作者，課題組多名研究生參與研究。本研究得到國家自然科學基金和中央高校基本科研業務費支持。

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

作者簡介：

通訊作者：王若涵，北京林業大學教授，博士生導師。致力于植物生長發育及能量代謝調控，種質資源篩選保護及應用等方面研究，創新性成果發表在《Plant Physiology》、《Plant Biotechnology Journal》、《Plant Journal》、《Plant Cell & Environment》及《中國科學-生命科學》、《科學通報》等國內外知名學術期刊。主持國家自然科學基金項目，國家“十三五”及“十四五”重點研發課題等國家級項目，撰寫國家級規劃教材及著作3部，授權發明專利多項。創制木蘭科樹種種質高效篩選及繁育技術，在北京、廣東、貴州、河北等省市數家企業推廣應用，取得了顯著的生態、經濟和社會效益，研究成果獲北京市優秀青年科技論文一等獎等榮譽稱號，入選北京高校“青年英才計劃”。

第一作者：王思欽 在讀博士