作者:朱汉斌 来源:中国科学报 发布时间:2023/7/12 13:44:06
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半枝莲中克罗烷型二萜骨架的生物合成途径获揭示

 

近日,广州中医药大学研究员黄莉莉团队揭示了半枝莲中克罗烷型二萜骨架的生物合成途径,为克罗烷型二萜生物碱下游代谢途径解析和代谢工程研究奠定了良好的基础。相关研究论文在线发表于The Plant Journal

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半枝莲染色体水平基因组图谱。研究团队 供图

二萜合酶是二萜生物合成分支中的第一个关键酶,催化二萜前体香叶基香叶基焦磷酸(GGPP)环化生成二萜骨架。半枝莲为唇形科黄芩属多年生药用植物,富含克罗烷型二萜生物碱,目前已报道的有100多种,结构上主要由二环二萜模块和含氮模块通过酰基相连而成,而其生物合成途径未被解析。

该研究工作组装了一个高质量的半枝莲基因组,在此基础上鉴定了半枝莲中参与克罗烷型二环二萜生物合成的两个II类二萜合酶基因,并提出I类二萜合酶不参与半枝莲中克罗烷型二萜生物合成的观点。

研究人员采用以三代测序为主、二代测序辅助纠错、Hi-C挂载的基因组组装策略,组装了一个高质量的半枝莲基因组。以该基因组为基础,鉴定到两个克罗烷型II类二萜合酶SbarKPS1和SbarKPS2,蛋白序列同源性为91%,且在2号染色体上形成串联基因对。进一步通过比较基因组学发现,在同属药用植物黄芩中,仅有一个克罗烷型II类二萜合酶SbaiKPS1,生化功能与SbarKPS2一致。

基于以上数据,研究人员推测串联重复和亚功能化导致了半枝莲中单功能克拉文基焦磷酸合酶SbarKPS1的产生,其产物进一步通过下游修饰酶的作用生成了半枝莲中结构多样的克罗烷型二萜生物碱。而黄芩中目前仅有一个克罗烷型二萜生物碱被报道。

在II类二萜合酶的基础上,进一步对下游的I类二萜合酶进行了鉴定,重点研究了功能未知的SbarKSL3和SbarKSL4。此外,qPCR结果表明SbarKSL3和SbarKSL4在各个组织中的表达量都很低,尤其是在叶中基本不表达,与上游II类二萜合酶 SbarKPS1和SbarKPS2的表达模式及下游代谢产物半枝莲碱A和碱B的积累模式均不一致。

研究人员认为,I类二萜合酶不参与半枝莲中克罗烷型二环二萜的生物合成,是否存在特异性催化这一步骤的酶有待于进一步研究。

相关论文信息:https://doi.org/10.1111/tpj.16377

 
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