兰花中萜类吲哚生物碱合成关键酶基因Strictosidine synthase (STR)的计算机鉴定与特征分析

本研究通过计算机模拟技术首次系统鉴定了兰花(Phalaenopsis equestris等3种)中调控萜类吲哚生物碱(TIAs)合成的关键酶基因STR家族，发现24个成员可分为STR和STR-like两类，其β-螺旋桨结构和Glu-309残基对催化活性至关重要，为解析兰花药用成分合成机制奠定基础。

　　

兰花作为药用植物宝库，其富含的萜类吲哚生物碱(Terpenoid Indole Alkaloids, TIAs)具有抗肿瘤、抗菌等药理活性。然而，这类重要活性成分的生物合成机制在兰花中仍属空白，特别是关键限速酶Strictosidine synthase(STR)的基因家族尚未被解析。STR催化色胺(tryptamine)与裂环马钱素(secologanin)缩合形成strictosidine，这是TIAs合成的第一个关键步骤。随着兰花基因组数据的释放，系统研究STR基因家族成为可能。

来自国内研究机构的Swati Malik等人在《South African Journal of Botany》发表研究，首次对3种代表性兰花(蝴蝶兰、铁皮石斛、深圳拟兰)进行STR基因家族的全基因组鉴定。研究团队采用生物信息学方法，通过NCBI数据库获取基因组数据，利用STR特征结构域(Str_synth)筛选候选基因，结合系统发育、保守基序、三维结构预测等技术，最终鉴定出24个STR家族成员。

Identification of putative STR family proteins
在蝴蝶兰、铁皮石斛和深圳拟兰中分别鉴定出6、12和6个STR基因，所有成员均含有Str_synth结构域。通过保守基序分析发现，典型STR蛋白含有催化必需的Glu-309残基，而STR-like蛋白该位点被丙氨酸取代。

Identification and conserved domain analysis
系统发育分析将24个成员明确分为STR和STR-like两个进化枝。三维结构预测显示所有蛋白均具有典型的六叶β-螺旋桨(β-propeller)结构，这是STR家族的特征性空间构象。特别值得注意的是，Cys-89和Cys-101形成的二硫桥对维持该结构至关重要。

Discussion
组织表达谱显示STR基因在兰花不同器官中呈现差异表达模式，暗示其可能参与多种生理过程。与水稻OsSTRL2类似，部分兰花STR-like蛋白可能具有调控花药发育等非传统功能。研究首次揭示兰花STR家族存在功能分化现象：典型STR成员可能专职于TIAs合成，而STR-like成员可能获得新功能。

Conclusions
该研究填补了兰花重要药用成分合成通路的关键空白，为后续开展STR基因功能验证和代谢工程改造提供靶点。特别值得注意的是，铁皮石斛STR基因数量(12个)显著多于其他两种兰花，这可能与其丰富的药用成分多样性相关。研究成果不仅为阐明兰花TIAs合成调控网络奠定基础，也为开发兰花药用资源提供分子标记。

研究得到印度科技部(DST)和印度科学与工业研究理事会(CSIR)的资助支持，第一作者Swati Malik获CSIR高级研究奖学金(档案号09/0135(13114)/2022-EMR-1)。论文通讯作者为Jaspreet K. Sembi教授，研究团队还包括Arshpreet Kaur等合作者。作者声明无利益冲突。