植物羽扇豆醇合酶功能演化的原子基础与真核生物趋同进化机制

《New Phytologist》：Atomic basis for functional evolution of plant lanosterol synthase

本研究针对植物羽扇豆醇合酶（LAS）的进化起源和催化机制不明的问题，通过量子力学/分子力学（QM/MM）分子动力学模拟揭示了植物、动物和真菌LAS在原子水平的催化路径差异，发现植物LAS通过C8阳离子中间体主导生成羽扇豆醇的独特反应路径。结合系统发育分析，证实植物LAS由祖先环阿屯醇合酶（CAS）演化而来，并独立获得了与动物/真菌LAS相似的根部发育功能，为抗逆作物育种提供了关键分子靶点。

　　

羽扇豆醇合酶（LAS）和环阿屯醇合酶（CAS）均以2,3-氧化角鲨烯为底物，分别催化生成动物和真菌必需的羽扇豆醇（lanosterol）以及植物特有的环阿屯醇（cycloartenol）。尽管植物中也存在LAS，但其进化来源及催化机制是否与动物/真菌LAS一致尚未明确。本研究通过量子力学/分子力学（QM/MM）分子动力学模拟，首次在原子层面揭示了三大类群LAS的催化机制，发现植物LAS主要通过C8阳离子中间体生成羽扇豆醇的独特反应路径，显著区别于动物和真菌LAS的路径。系统发育与微共线性分析表明，植物LAS基因由祖先CAS基因演化而来，且仅存在于真双子叶植物中。这些机制与进化证据共同证明，植物LAS与动物/真菌LAS发生了趋同进化，独立获得了调控根部发育的功能。该研究不仅将羽扇豆醇合成途径确立为真核生物跨界趋同进化的典范案例，更为培育抗逆作物提供了关键分子靶点。