羽扇豆中产生有毒喹诺里西啶类生物碱的遗传基础

《SCIENCE》：The genetic basis for the production of toxic quinolizidine alkaloids in lupins

　　

编辑摘要

羽扇豆是一种高蛋白含量的豆科作物，但作为食品和饲料作物的推广受到了其所积累的苦涩味和有毒奎诺里西啶类生物碱的限制。Mancinotti等人通过结合共表达分析和逐步途径重建的方法，阐明了窄叶羽扇豆中这些生物碱的生物合成途径，包括鉴定和表征了13个新的生物合成基因（另见Jiang和Lichman的观点文章）。随后，他们利用这些信息鉴定了甜白羽扇豆低生物碱含量背后的因果突变，并培育出了一种低生物碱的窄叶羽扇豆。该研究为定向育种低生物碱甜羽扇豆提供了策略，同时增进了我们对奎诺里西啶类生物碱生物合成的理解。——Unnati Sonawala

结构化摘要

引言

奎诺里西啶类生物碱（QAs）是若干豆科物种产生的特殊代谢物，其中包括富含蛋白质的豆科作物羽扇豆（Lupinus spp.）。鉴于其苦涩的味觉和抗胆碱能毒性，通过育种降低生物碱含量对于满足食品安全标准至关重要。然而，由于对底层生物合成途径了解有限，阻碍了新育种技术的应用。该途径起始于氨基酸赖氨酸，早期和晚期阶段的少数酶已被发现。然而，该途径的核心部分仍然未知，包括在结构上定义该类生物碱的奎诺里西啶支架的形成。

研究依据

编码QA生物合成中酶的基因是改良羽扇豆作物和驯化相关豆科物种的潜在目标。此外，该途径中预测会发生的关键化学转化缺乏明确的酶催化先例。因此，阐明该途径提供了发现新型酶功能的机会。最后，QAs具有复杂的多环结构，其中一些具有有用的生物活性。在该途径的异源宿主中表达可能使这些化学支架更容易获得。

结果

我们利用了窄叶羽扇豆（L. angustifolius）现有的基因表达数据，鉴定出九种酶，加上已知的六种酶，可以在模式植物本氏烟草（Nicotiana benthamiana）中产生多种QAs。奎诺里西啶支架以乙酰化形式组装，乙酰基随后被移除。若干主要乳汁蛋白样蛋白参与了至少四个关键步骤，包括C–C键形成和分子内重排。我们还鉴定出了一种氧化还原酶样蛋白，它决定了途径的立体选择性，以及一种催化途径后期环裂解的细胞色素P450。我们通过在体外对先前被推测为非酶催化的关键步骤进行体外分析，补充了在本氏烟草中的研究。最后，我们通过在窄叶羽扇豆中进行诱变实验验证了我们的生化假设。

我们利用对QA生物合成的新认识，通过失活移除隐蔽乙酰基的水解酶，培育了一个新的低生物碱窄叶羽扇豆品系。我们还回顾了白羽扇豆（L. albus）的泛基因组，发现一种低生物碱的exiguus类型品种（突变基因未知）携带了一个编码主要乳汁蛋白样蛋白之一的基因的剪接位点突变。当在本氏烟草中表达时，该突变等位基因无功能，解释了其低生物碱表型。

结论

我们揭示了窄叶羽扇豆中大多数QAs的合成途径。这些知识可用于开发生物碱含量持续较低的羽扇豆品种，并可能作为驯化其他含QA豆科作物的起点。该途径涉及许多功能尚不明确的蛋白质。阐明这些酶的精确催化作用将加深我们对复杂化学支架形成以及特殊代谢物途径中立体选择性进化的理解。

在查看器中打开

羽扇豆中QA生物合成的发现与应用。

羽扇豆是富含蛋白质的豆科作物，会积累有毒的QAs。我们完成了窄叶羽扇豆QA生物合成途径的阐明，该途径包含15种主要在表皮细胞中表达的酶。我们培育了具有低QA水平的突变体，可用于育种。我们还在模式植物N. benthamiana中重建了该途径，为异源生产具有有用生物活性的QAs铺平了道路。

摘要

羽扇豆（Lupinus spp.）是有前途的蛋白质作物，但会积累苦涩且有毒的奎诺里西啶类生物碱（QAs）。由于其生物合成机制了解不足，阻碍了通过新育种技术有效去除QAs。在本研究中，我们利用途径重建和突变分析阐明了L. angustifolius（窄叶羽扇豆，NLL）中完整的QA途径，包括15个酶促步骤。主要乳汁蛋白样蛋白在该途径中发挥重要作用，通过加速自发的化学平衡反应，而一种氧化还原酶样蛋白则确保了立体选择性。我们还培育了一个新的低生物碱NLL品系，并鉴定了L. albus中现有低生物碱品系的因果突变。我们的工作揭示了有毒QA产生的遗传和生化基础，并为野生羽扇豆及其他含QA豆科作物的从头驯化提供了便利。