植物根际促生菌H. diazotrophicus E19T中非典型ACC脱氨酶TdcB2的结构特征与功能解析

本研究针对PGPR菌株H. diazotrophicus E19T缺乏典型ACC脱氨酶基因但具有活性的矛盾，通过共进化分析和结构建模，发现其L-苏氨酸脱水酶TdcB2通过Ser242介导ACC环裂解，揭示了非典型ACC脱氨酶的分子机制，为PGPR抗逆应用提供新靶点。

　　

在气候变化加剧农业胁迫的背景下，植物根际促生菌（PGPR）因其能帮助作物抵抗盐碱、干旱等逆境而成为研究热点。其中，ACC脱氨酶（acdS）是PGPR缓解植物乙烯胁迫的核心酶，但令人困惑的是，具有显著促生效果的H. diazotrophicus E19T菌株基因组中竟未发现典型acdS基因。这一矛盾引发了科学家的强烈兴趣——是什么神秘分子在扮演"隐形守护者"的角色？

来自中国科学院的研究团队通过多学科交叉方法揭开了这一谜团。他们发现，该菌株编码的三个L-苏氨酸脱水酶（TdcB1-3）虽与ACC脱氨酶序列相似性低，但属于相同的吡哆醛磷酸（PLP）依赖酶家族。其中TdcB1具有C端ACT调控域，暗示其参与生物合成而非分解代谢；而TdcB2的活性中心存在关键Ser242残基，恰位于ACC分子pro-S-β碳原子附近，可发动亲核攻击打开环丙烷结构——这正是ACC脱氨反应的决定性步骤。这一发现打破了"只有典型acdS基因产物才具ACC脱氨活性"的传统认知。

研究采用三大关键技术：1）基于BIS2Analyzer的共进化分析鉴定催化残基簇；2）以2GN0为模板的SWISS-MODEL同源建模；3）Phyre2和I-TASSER的ab initio结构预测。通过33个脱水酶序列的共进化网络，发现四类功能残基簇：维度0的Cluster 1（如TdcB2的63-Ala-Phe-Lys-65）负责PLP/ACC结合，维度1的Cluster 3（Ser242等）参与亲核反应。结构比对显示，TdcB2活性中心形成"催化三联体"：Lys65与PLP形成醛亚胺，Ser87/Asn90稳定ACC，Ser242羟基距ACC的Cβ仅3.2?，完美复现了PAcdS中Tyr294的催化几何构型。

研究结果可分为三部分：

1. 结构特征：TdcB1含ACT调控域暗示其参与生物合成，而TdcB2/TdcB3的紧凑结构更符合分解代谢酶特征。ERRAT2验证模型质量均>92%，Ramachandran图显示90%以上残基处于优势区。
2. 催化机制：TdcB2的Ser242空间位置等效于典型ACC脱氨酶的Tyr294，但TdcB1/Gly235和TdcB3/Gly240因缺乏亲核基团而丧失该功能。
3. 功能验证：虽然三者在PLP结合（如TdcB2的189-Ser-Gly-Gly-Gly-192环）和ACC锚定（Phe64π-π堆叠）方面相似，但仅TdcB2具备完整的催化微环境。

这项研究的意义在于：首次证实非典型TdcB家族酶可行使ACC脱氨酶功能，拓宽了对PGPR抗逆机制的认知。Ser242的发现为设计"低乙烯响应"工程菌提供了精准靶点，而ACT调控域的鉴定则揭示了代谢途径分化的结构基础。该成果发表于《The Microbe》，为应对气候变化下的粮食安全挑战提供了新颖的微生物解决方案。