华人学者Science Advances发文:控制植物生物化学的新杠杆

【字体: 时间:2023年01月13日 来源:Science Advances

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  布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的植物生物化学家在生物化学“机制”中发现了一种新的调节水平,植物利用这种机制将光合作用产生的有机碳转化为一系列环形芳香分子。这项研究提出了在农业和工业应用中控制植物生物化学的新策略。

  
   

fluorescent visualization of proteins in leaf cells    

图片:除了进行遗传和生化研究,科学家们还使用了一种绿色荧光蛋白(GFP)布鲁克海文实验室功能纳米材料中心的“标签”和显微镜设备,以可视化他们在叶细胞中研究的蛋白质。左图:叶细胞中沿着内质网(膜的内部网络)的gfp标记电子供体蛋白的定位。右图:gfp标记的P450酶复合物与电子供体相互作用。在这种情况下,科学家将一半的GFP标签附着在这些蛋白质上;只有当两部分蛋白质相互作用时,荧光才会出现。(在这两幅图像中,红色信号来自叶绿素。)    

来源:布鲁克海文国家实验室

美国能源部布鲁克海文国家实验室的植物生物化学家发现了一种新的生物化学“机制”,植物利用这种机制将光合作用产生的有机碳转化为一系列环形芳香分子。这项研究刚刚发表在杂志上科学的进步,提出了在农业和工业应用中控制植物生化的新策略。

“我们的研究揭示了被称为细胞色素P450单加氧酶的一组关键酶的长期被忽视的复杂性和多功能性,”布鲁克海文实验室生物系的Chang-Jun Liu 说。“这些酶就像一台合成机器,在植物中产生各种各样的芳香族化合物,包括构建植物防水骨架和脉管系统的化合物,以及抵御昆虫入侵和紫外线辐射的化合物。”

揭示这些酶是如何被调节的复杂性,为科学家们提供了一套新的遗传工具,可以用来精确控制哪些化合物在体内产生这项工作有助于促进长期碳储存和碳中性利用植物生物量用于能源应用,改善植物的营养特性,或增强它们对疾病和恶劣环境条件的抵抗力。

分子机制

科学家们早就知道P450酶不能单独决定芳香族化合物的结构和生物学特征。

“为了让P450机器运行,它们需要伙伴分子来传递电子。这些电子就像电源一样为机器提供燃料。”

传统上,科学家认为P450s主要与一种称为细胞色素P450还原酶的普通电子供体相互作用,以产生各种芳香化合物。但新的研究表明,不同的P450s选择性地与不同的电子供体(和电子传递链)合作,以驱动它们的活动。此外,研究人员还发现,同一种P450酶可以利用植物不同部位(茎、叶和种子)的不同电子供体和电子传递链来产生不同种类的芳烃。

科学家们通过分析积累在植物不同部位的芳香族化合物得到了这些发现,这些植物中不同电子供体的基因被选择性地删除了。

“通过敲除这些基因,我们能够确定不同电子供体的贡献,确定哪些电子供体在植物的不同部位驱动不同芳烃的产生,然后,在酵母细胞中,我们结合植物P450酶重新组装了不同的电子传递链,以模拟植物中的反应。这些研究帮助我们验证了单个电子给体和传递链在支持P450活性方面的贡献。”

“植物已经进化出了许多同源基因作为电子供体,所以我们需要创造出单基因缺失和基因组合缺失的植物。然后,我们研究了芳烃在植物生长过程中产物分布的变化。”

文章一作Xianhai Zhao说:“我们还对植物不同部位的电子供体基因表达和电子源分子丰度进行了全面的比较分析,并测量了不同传递链的电子转移速率。”

这些实验帮助科学家们确定了某些P450酶与植物不同部位的不同电子传递链合作的潜在原因。

下一个步骤

获得的知识为科学家提供了一套新的遗传工具,他们可以操纵来控制芳香族的产生。

“我们可以操纵特定的电子供体,而不是p450,来抑制一组不同的芳烃,并达到预期的结果”。

例如,减少茎中的一种被称为木质素的芳香化合物可以使植物更容易分解并转化为生物燃料。减少种子中某些芳烃的含量可以提高它们的营养价值。

Chang-Jun Liu说:“这项研究中提供的详细知识使我们能够在不影响另一个部分的情况下对植物的一个部分进行选择性的改变,比如在叶子中积累提供紫外线防晒的芳香族化合物。”

布鲁克海文研究小组计划测试这些基因操纵策略,以优化生物能源作物。他们还将在布鲁克海文生物分子结构实验室使用冷冻电子显微镜进行进一步研究,以了解驱动P450酶和特定电子供体之间选择性伙伴关系的原子级细节。

“探索选择性P450-电子供体结合的分子基础将有助于我们进一步了解P450系统是如何运作的。”“反过来,这将使我们有可能创造出更有效的酶系统,以生产所需的生物产品,并通过光合作用加强碳的转换和储存。”

文章标题

Tissue-preferential recruitment of electron transfer chains for cytochrome P450-catalyzed phenolic biosynthesis

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