Science发现大麦中有毒生物碱的关键基因

大麦是全球最重要的谷类作物之一。许多大麦品种会产生一种叫做谷氨酰胺的有毒生物碱，这种生物碱会影响大麦作为饲料的适用性，但也有助于保护大麦免受病原体的侵害。到目前为止，操纵谷氨酰胺水平的潜力尚未被用于植物育种，因为谷氨酰胺生产的遗传基础尚未得到解决。来自IPK莱布尼茨研究所和汉诺威莱布尼茨大学的研究小组现在揭示了谷氨酰胺的完整生物合成途径，并演示了如何将谷氨酰胺生物合成引入模式生物或从大麦中去除。今天，研究结果发表在《科学》杂志上。

　　

所有植物都通过化学信号调节它们与环境的相互作用。大麦是世界上种植最广泛的谷物之一，它所产生的生物碱就是一个例子。谷氨酰胺可以防止草食昆虫和食草动物的侵害，并抑制其他植物的生长。尽管长期以来的兴趣，关键基因形成谷草胺仍然难以捉摸。

研究人员在大麦中发现了两个基因簇，用于谷氨酰胺的生物合成。第一个基因(HvNMT)早在18年前就被发现了。在他们的研究中，来自IPK和汉诺威莱布尼茨大学的研究人员现在确定了第二个基因(AMI合成酶，HvAMIS)，并发现这两个基因在同一染色体上彼此靠近。随着这一发现，谷草胺生物合成的途径现已完全阐明。

“我们发现AMIS是一种氧化酶，它对色氨酸进行了一种不寻常的隐氧化重排，这使我们能够修改上世纪60年代的生物合成方案，我们对迄今为止未知的形成gramine的酶机制感到非常惊讶。与此同时，我们现在有可能用可持续的生物技术方法生产生物活性生物碱。”Jakob Franke教授说。

研究小组可以在酵母和模式植物(烟叶、拟南芥)中产生谷氨酰胺。“与来自植物的许多其他保护性代谢物相比，谷草胺的产生只需要两个基因。因此，将我们的发现用于实际应用相对简单，此外，大麦的基因工程使我们能够在不产生格拉明的大麦品种中产生格拉明，并通过基因组编辑消除产生格拉明的大麦品种中的格拉明，”国际马克斯普朗克研究学院资助的IPK研究员Sara Leite Dias解释说。

John D 'Auria博士说:“这些结果为在没有天然合成能力的生物体中生产谷氨酰胺奠定了基础，例如作为天然植物保护剂，或从大麦和其他草中消除谷氨酰胺以减少对反刍动物的毒性。”“我们的研究结果为改良大麦奠定了基础，以增强其对害虫的抵抗力，降低其对反刍动物的毒性，并有助于可持续的杂草管理。”