研究确定了控制植物生物化学的新杠杆

美国能源部布鲁克海文国家实验室的植物生物化学家在植物用来将光合作用产生的有机碳转化为一系列环状芳香分子的生化“机器”中发现了新的调节水平。这项刚刚发表在《科学进展》杂志上的研究提出了控制植物生物化学用于农业和工业应用的新策略。

“我们的研究揭示了一组被称为细胞色素P450单加氧酶的关键酶的长期被忽视的复杂性和多功能性，”该研究的主要作者布鲁克海文实验室生物学系的Chang-JunLiu说。“这些酶作为合成机器运行，在植物中产生范围广泛的芳香族化合物——包括构建植物防水骨架和脉管系统的化合物，以及其他可抵御昆虫入侵和紫外线(UV)辐射的化合物。”

揭示这些酶如何被调控的复杂性提供了一套新的遗传工具，科学家们可以使用这些工具来精确控制植物不同部位产生的化合物。这项工作可能有助于促进长期碳储存和植物生物质的碳中性利用以用于能源应用，改善植物的营养特性，或增强它们对疾病和恶劣环境条件的抵抗力。

分子机械

科学家们早就知道P450酶不能单独作用来确定芳香族化合物的结构和生物学特征。

“为了让P450机器运行，他们需要伙伴分子来传递电子。这些电子充当为机器提供燃料的动力源，”刘解释道。

通常，科学家们认为P450主要与称为细胞色素P450还原酶的一般电子供体相互作用，以产生各种芳香族化合物。但新的研究表明，不同的P450选择性地与不同的电子供体(和电子传输链)合作以驱动它们的活动。此外，研究人员发现，同一种P450酶可以利用植物不同部位(茎、叶和种子)中不同的电子供体和电子传递链来产生不同类别的芳香烃。

科学家们通过分析在植物不同部位积累的芳香族​​化合物得出了这些发现，在这些部位，不同电子供体的基因已被选择性删除。

“通过敲除这些基因，我们能够确定不同电子供体的贡献，确定哪些电子供体驱动植物不同部位产生不同的芳香烃，”刘说。“然后，在酵母细胞中，我们结合植物P450酶重新组装了不同的电子传输链，以模拟植物中的反应。这些研究帮助我们验证了单个电子供体和传输链在支持P450活性方面​​的贡献。”

实验工作主要由博士后研究员赵仙海在刘的指导下进行。

“植物已经进化出许多电子供体的同源基因，”Zhao解释说，“因此我们需要创建具有单个基因和基因组合缺失的植物。然后我们检查了芳烃产物分布在植物生长过程中的变化发展。”

“我们还对植物不同部位的电子供体基因表达和电子源分子丰度进行了全面的比较分析，并测量了不同传输链的电子转移速率，”赵补充说。

这些实验帮助科学家们确定了某些P450酶与植物不同部位的不同电子传输链合作的根本原因。

下一步

获得的知识为科学家们提供了一套新的遗传工具，他们可以操纵这些工具来控制芳香物质的产生。

“我们可以操纵特定的电子供体——而不是P450——来抑制一组不同的芳烃并达到预期的结果，”刘说。

例如，减少茎中称为木质素的芳香族化合物可以使植物更容易分解并转化为生物燃料。减少种子中某些芳香剂的含量可以提高它们的营养价值。

“这项研究中提供的详细知识使我们能够在不影响另一部分的情况下对植物的一部分进行有选择的改变——比如在叶子中提供紫外线防晒剂的芳香化合物的积累，”刘说。

Brookhaven团队计划测试这些基因操作策略以优化生物能源作物。他们还将在布鲁克海文生物分子结构实验室使用低温电子显微镜进行进一步研究，以了解推动P450酶与特定电子供体之间选择性合作的原子级细节。

“探索选择性P450-电子供体关联的分子基础将有助于我们进一步了解P450系统的运作方式，”刘说。“反过来，这将使我们有可能创造出更有效的酶系统来生产所需的生物产品，并增强通过光合作用吸收的碳的转化和储存。”