PNAS | 玫瑰花中香叶醇生物合成的新机制

几个世纪以来，玫瑰以其宜人的香味和吸引人类的美学形态特征而闻名。尽管迄今为止创造的数千种玫瑰杂交种排放的挥发性有机化合物（VOC）种类繁多，但香叶醇及其衍生物是产生独特而熟悉的玫瑰气味的重要化合物。与其他单萜不同，香叶醇的碳骨架与其前体香叶二磷酸（GPP）相同。正是因为这种结构的存在，香叶醇最初被人们假设可以通过磷酸酶的作用形成。然而，来自甜罗勒的第一个香叶醇合成酶（GES）的表征表明，香叶醇的生物合成与其他单萜合成酶的情况一样，涉及从质体中的GPP底物形成碳阳离子中间体。从那时起，除玫瑰外，大多数产香叶醇的植物都描述了这种典型的香叶醇生物合成途径。最近，一种胞质RhNUDX1水解酶取代了质体GES，负责在玫瑰杂交种的花朵中产生香叶醇。

在该研究中，研究者们使用中国的粉月季品种来研究NUDX1-1a用来产生高水平香叶醇的胞质GPP的来源，并证明了GPP是通过MVA途径在胞质溶胶中合成的。

研究者们从RcOB基因组中检索到五种IDS候选物，一种名为RcG/FPPS1（香叶基/法尼基二磷酸合酶）的胞质FPPS样酶在体外表现出GPPS和FPPS活性。五种IDS候选物与RcNUDX1-1a在本氏烟草叶片中的共表达表明，只有RcG/FPPS1能够增加香叶醇的产生，尽管其单独的表达增加了FPP衍生的衣壳二醇的积累。此外，玫瑰花中的RcG/FPPS1转录水平表现出与GPP和FPP积累相关的节律性特征，并先于香叶醇释放。

RcG/FPPS1在月季花中表达的瞬时下调和上调分别导致香叶醇释放的减少和增加。对FPP衍生的生殖烯D和类胡萝卜素衍生的二氢-β-紫罗兰醇（dhβ-紫罗兰酚）的排放也观察到了类似的影响，从而为植物中RcG/FPPS1的双功能活性及其在玫瑰花中萜类挥发性有机物（包括香叶醇）生物合成中的主要作用提供了遗传学证据。

而RcG/FPPS1在玫瑰花瓣中的下调和过表达不仅影响香叶醇和生殖烯D的排放，还影响二氢-β-紫罗兰醇，后者是由于RcG/FPPS1依赖性类异戊二烯中间体从胞质溶胶运输到质体的代谢串扰。系统发育分析和G/FPPS直向同源物的功能表征表明，G/FPPS活性在蔷薇科物种中是保守的。定点诱变和分子动力学模拟能够鉴定两种从祖先FPPS进化而来的保守氨基酸，并有助于GPP/FPP产物的特异性。

总的来说，这项研究阐明了NUDX1依赖性香叶醇生产的胞质GPP的来源，为RcG/FPPS1-GPPS活性从祖先的FPPS中出现提供了见解，并表明RcG/FP PS1在玫瑰花挥发性萜类化合物的生物合成中起着关键作用。

研究者们为了研究RcNUDX1-1a用于玫瑰花中香叶醇生产的胞质GPP的生物合成来源，使用了几种独立的方法，包括用稳定同位素标记的通路特异性前体喂养花朵，或是用通路特异性抑制剂进行抑制实验，再者就是评估GPPS活性的亚细胞定位。从图E中我们可以发现GPPS和FPPS活性主要在细胞质部分检测到，这表明GPP的形成发生在玫瑰花瓣的细胞质中。对标记酶活性和叶绿素含量的分析证实，胞质部分几乎没有被其他细胞器污染。相反，质体和线粒体部分相对于胞质溶胶含有可忽略不计的GPPS和FPPS活性。在这些实验中没有检测到GGPPS活性，因为其低于检测极限。综合来看，这些结果表明，在玫瑰花中，GPP是由来源于MVA途径的前体的未知GPPS合酶在细胞质中形成的。

研究者们为了测试RcG/FPPS1是否在植物中同时显示GPPS和FPPS活性，将RcG/FPPS1在N中瞬时表达，并与用作FPPS活性对照的RcFPPS2的表达进行比较。这两个基因的瞬时表达导致衣壳二醇和衣壳二醇乙酸酯的积累增加，这两种FPP衍生的倍半萜已知在烟叶中积累，证实RcG/FPPS1确实在植物中表现出FPPS活性。总的来说，这些结果提供了生物化学和遗传学证据，证明胞质RcG/FPPS1是一种能够在植物中产生胞质FPP和GPP的双功能酶。

研究者们为了验证模型预测并检查每个保守残基对G/FPPS活性的贡献，通过定点突变产生了几个含有单个或多个突变的RcG/FPPS1突变体，并对相应的重组蛋白进行了生化表征。得到的结果与模型预测一致，与WT RcG/FPPS1相比，F88Y和V123I取代都独立地减少了55%的GPP形成，同时增加了FPP形成。在双突变体（F88Y/V123I）中检测到协同效应，GPP产量进一步降低了45%。对单突变体和双突变体的动力学分析表明，在GPP作为共底物存在的情况下，F88Y和V123I取代都显著增加了蛋白质对IPP的亲和力（3.6至5.9倍），从而使突变的RcG/FPPS1在生物化学上与系统发育上遥远的RcFPPS2非常相似，尽管后者几乎只产生FPP（图C）。综合来看，这些结果表明，分别由祖先Y88和I123进化而来的F88和V123对双功能G/FPPS活性至关重要。

原文链接：

 https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2221440120

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！