海州常山顺式聚异戊二烯生物合成机制解析与靶向基因上调增产策略研究

《Communications Biology》：Identification of candidate key genes involved in natural rubber biosynthesis in Periploca sepium

　　

摘要

天然橡胶是面临供应短缺的关键工业材料。海州常山（Periploca sepium）已成为生产橡胶成分顺式聚异戊二烯的有前景的替代植物。为研究其生物合成机制，我们进行了基因组和转录组测序。结果表明，该植物具有完整的甲羟戊酸（MVA）、1-脱氧-D-木糖-5-磷酸/2-C-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸（DXP/MEP）和聚异戊二烯通路，并含有相应的橡胶颗粒膜蛋白。通过加权基因共表达网络分析，我们鉴定出11个与顺式聚异戊二烯及前体烯丙基焦磷酸（IPP/DMAPP、GPP、FPP、GGPP）水平正相关的关键基因。在海州常山中过表达MVA和DXP/MEP通路中的乙酰乙酰辅酶A硫解酶、3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶、3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶和1-脱氧-D-木糖-5-磷酸还原异构酶基因，提高了IPP/DMAPP水平。分子对接和酶活性测定表明，顺式异戊烯基转移酶对FPP表现出最高的亲和力，表明其是顺式聚异戊二烯生物合成中IPP缩合的主要启动因子。过表达FPP合酶基因提高了FPP水平，导致顺式聚异戊二烯含量增加。过表达顺式异戊烯基转移酶、小橡胶颗粒蛋白和橡胶延伸因子基因，尤其是组合过表达，显著提高了顺式聚异戊二烯含量和高分子量比例。这些发现表明，靶向基因上调可以提高海州常山的橡胶产量和质量。