次生代谢产物异黄酮是一类主要在豆科植物中合成的多酚类物质。异黄酮不仅利于豆科植物应答生物和非生物胁迫、诱导根瘤形成等，而且对人体具有重要的保健和药用价值，比如预防和治疗癌症、心脑血管疾病和骨质疏松等。大豆是工业化生产异黄酮的重要来源，主要含有12种异黄酮物质及其衍生物。根据其化学结构的差异，可将其分为游离型苷元（aglycone）和结合型糖苷（glycoside）两大类，其中结合型糖苷占异黄酮总量的97%，且以葡萄糖苷异黄酮和丙二酰化异黄酮为主。诸多植物次生代谢产物的生物合成与积累受到光信号的调控，但其调控大豆种子异黄酮生物合成的作用机制尚不清楚。
2024年10月10日，南京农业大学国家大豆改良中心许冬清教授和盖钧镒院士团队在Plant Communications期刊上发表题为“The GmSTF1/2-GmBBX4 negative feedback loop acts downstream of blue light photoreceptors to regulate isoflavonoid biosynthesis in soybean”的论文，该研究揭示光信号转导通过GmSTFs-GmBBX4负反馈回路调控大豆种子中异黄酮生物合成和积累的作用机制。
结合遗传学、生理学和分子生物学等实验证明：UV-A和蓝光受体GmCRY1s、GmCRY2s、GmPHOT1s、GmPHOT2s以及转录因子GmSTFs促进大豆异黄酮的生物合成，而E3泛素连接酶GmCOP1b负调控大豆异黄酮的积累。GmPHOT1s和GmPHOT2s正调控GmSTFs的蛋白丰度，而GmCOP1b负调控GmSTFs的蛋白积累。通过RNA-seq实验发现GmSTFs调控了大豆中约27.9%异黄酮生物合成相关基因的转录表达。苯丙氨酸解氨酶是异黄酮生物合成途径的关键限速酶之一，而糖基转移酶催化游离型的异黄酮苷元转化为结合型的异黄酮糖苷。生化分析表明，GmSTFs直接结合苯丙氨酸解氨酶GmPAL2.1、GmPAL2.3和糖基转移酶GmUGT2等异黄酮合成相关基因的启动子区域，促进其转录表达。B-box蛋白GmBBX4负调控大豆种子异黄酮的生物合成和积累。在转录水平上，GmSTFs直接结合在GmBBX4的启动子上，进而负调控其转录水平。在蛋白水平上，GmBBX4与GmSTFs相互作用，并抑制GmSTFs对异黄酮合成相关靶基因的转录激活能力。因此，GmSTFs作用于光受体的下游，与GmBBX4形成负反馈回路，共同调节大豆种子中异黄酮的生物合成和积累。该研究为培育高异黄酮含量的大豆新品种（系）提供了重要的理论基础、种质和基因资源。
图1. GmSTFs-GmBBX4负反馈回路调控大豆种子异黄酮的生物合成
南京农业大学国家大豆改良中心许冬清教授、盖钧镒院士和中国农业科学院作物所刘斌研究员为共同通讯作者。南京农业大学国家大豆改良中心博士研究生宋昭庆和钟山青年研究员赵峰月博士为共同第一作者。南京农业大学国家大豆改良中心喻徳跃教授、浙江大学农业与生物技术学院董杰教授、北京市农林科学院王训成博士、中国农业科学院作物所吕向光博士、南京农业大学农学院博士研究生肖云涛、硕士研究生林欢、储丽（已毕业）和本科生方正参与了本研究工作。本研究得到国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金、江苏省种业振兴“揭榜挂帅”项目和江苏省现代作物生产协同创新中心等项目资助。