赖氨酸和尸胺对赫佩尔齐亚（Huperzia selago (L.) Bernh. ex Schrank et Mart.）无菌配子体培养物中赫佩尔齐碱（huperzine）的生物合成具有不同的调节作用

《BMC Plant Biology》：Lysine and cadaverine differentially regulate huperzine biosynthesis in axenic gametophyte cultures of Huperzia selago (L.) Bernh. ex Schrank et Mart.

　　

摘要

背景

特化代谢物是植物适应性和化学多样性的主要组成部分，也是具有重要药理作用的化合物的重要来源。其中，石松科（Lycopodiaceae）生物碱是一类独特的赖氨酸衍生代谢物，这类代谢物是石松类（Lycopodiaceae）的特征，石松类属于早期分化出的蕨类植物谱系，与现存的维管植物有亲缘关系。Huperzia selago产生石松碱A（HupA）和石松碱B（HupB），这两种物质是强效的乙酰胆碱酯酶抑制剂，然而它们的生物合成调控机制尚不明确，尤其是在配子体阶段。由于赖氨酸及其脱羧产物尸胺是进入石松科生物碱网络的关键前体物质，因此补充前体可以在受控条件下探究该途径的调控节点。

结果

H. selago的无菌配子体培养物在Whittier–Storchová培养基中培养了24周，培养基中添加了L-赖氨酸（Lys）或尸胺（Cad），或两者同时添加（浓度分别为5?+?5、10?+?10或20?+?20 mg L?1），培养条件为不添加植物生长调节剂，或在添加吲哚-3-丁酸（IBA）和激动素的情况下进行。双向方差分析（ANOVA）显示，培养时间、培养基成分及其相互作用对这两种生物碱均具有显著影响。HupA在培养的早期到中期阶段反应最强烈，在Lys?+?Cad-10?+?10培养条件下第12周时达到最大值（5.70?±?0.01 mg g?1 DW），而HupB在培养后期（第24周）尸胺添加组中的含量最高（6.79?±?0.10 mg g?1 DW）。相比之下，HupB的积累过程较慢，在Lys?+?Cad-5?+?5培养条件下第24周达到峰值（0.97?±?0.05 mg g?1 DW）。植物生长调节剂对代谢过程的影响具有时间和变体依赖性，并非起到统一促进作用。液相色谱-质谱-离子阱飞行时间谱（LC–MS/IT–TOF）分析检测到27种与石松科生物碱对应的信号，通过 authentic 标准物确认了 HupA 和 HupB 的存在。

结论

赖氨酸和尸胺的前体补充有效地调节了 H. selago 配子体中的石松碱生物合成，并揭示了 HupA 和 HupB 不同的时间调控模式。这些结果支持了赖氨酸衍生物作为石松科生物碱网络中关键调控节点的观点。因此，无菌配子体培养系统为研究早期分化维管植物的特化代谢提供了便捷的实验平台，也有助于优化具有药理价值的生物碱的可控生产策略。

背景

特化代谢物是植物适应性和化学多样性的主要组成部分，也是具有重要药理作用的化合物的重要来源。其中，石松科（Lycopodiaceae）生物碱是一类独特的赖氨酸衍生代谢物，这类代谢物是石松类（Lycopodiaceae）的特征，石松类属于早期分化出的蕨类植物谱系，与现存的维管植物有亲缘关系。Huperzia selago产生石松碱A（HupA）和石松碱B（HupB），这两种物质是强效的乙酰胆碱酯酶抑制剂，然而它们的生物合成调控机制尚不明确，尤其是在配子体阶段。由于赖氨酸及其脱羧产物尸胺是进入石松科生物碱网络的关键前体物质，因此补充前体可以在受控条件下探究该途径的调控节点。

结果

H. selago的无菌配子体培养物在Whittier–Storchová培养基中培养了24周，培养基中添加了L-赖氨酸（Lys）或尸胺（Cad），或两者同时添加（浓度分别为5?+?5、10?+?10或20?+?20 mg L?1），培养条件为不添加植物生长调节剂，或在添加吲哚-3-丁酸（IBA）和激动素的情况下进行。双向方差分析（ANOVA）显示，培养时间、培养基成分及其相互作用对这两种生物碱均具有显著影响。HupA在培养的早期到中期阶段反应最强烈，在Lys?+?Cad-10?+?10培养条件下第12周达到最大值（5.70?±?0.01 mg g?1 DW），而HupB在培养后期（第24周）尸胺添加组中的含量最高（6.79?±?0.10 mg g?1 DW）。相比之下，HupB的积累过程较慢，在Lys?+?Cad-5?+?5培养条件下第24周达到峰值（0.97?±?0.05 mg g?1 DW）。植物生长调节剂对代谢过程的影响具有时间和变体依赖性，并非起到统一促进作用。液相色谱-质谱-离子阱飞行时间谱（LC–MS/IT–TOF）分析检测到27种与石松科生物碱对应的信号，通过 authentic 标准物确认了 HupA 和 HupB 的存在。

结论

赖氨酸和尸胺的前体补充有效地调节了 H. selago 配子体中的石松碱生物合成，并揭示了 HupA 和 HupB 不同的时间调控模式。这些结果支持了赖氨酸衍生物作为石松科生物碱网络中关键调控节点的观点。因此，无菌配子体培养系统为研究早期分化维管植物的特化代谢提供了便捷的实验平台，也有助于优化具有药理价值的生物碱的可控生产策略。