隐芽植物是植物生活型之一，其芽深埋土中，并以球茎、鳞茎等形式储存营养物质，具有各种重要的观赏、食用和药用作用。当处于生长不利的条件下，隐芽植物可以进入休眠状态，将茎留在地下。通常隐芽植物会产生各种化学毒素和驱虫物质，保护自身营养储备免受其他动物的侵害，例如洋葱和蒜产生的有机硫化物可以驱除动物和昆虫。石蒜科植物通常含有多种生物活性代谢物，这些代谢物统称为石蒜科生物碱(Amaryllidaceae alkaloids, AmAs)。AmA表现出结构和功能多样性，包含了已被FDA批准的治疗阿尔兹海默症的药物。AmA有三种基本骨架类型，分别命名为p-p’、o-p’和p-o’，然后通过氧化、甲基化等多步反应分化成不同的AmAs。在之前的研究中已经发现了一种细胞色素P450酶CYP96T1可以催化p-p’骨架的氧化。完整的植物次生代谢生物合成基因通常不会完整的聚集在植物基因组上，因此完整的解析次生代谢产物的合成过程是非常困难的。近日，斯坦福大学Elizabeth Sattely课题组在Cell杂志发表题为A developmental gradient reveals biosynthetic pathways to eukaryotic toxins in monocot geophytes的研究论文，通过转录组测序等多种技术手段阐述了水仙花中多种生物碱的生物合成调节模式。首先，作者利用液相色谱-质谱联用确定了水仙花不同组织中三种合成AmA的关键中间产物的含量，并统计了不同组织中AmA主动合成的含量。结果发现，幼嫩的叶原基在离开地下进行光合作用之前含有丰富的生物碱。接下来，作者对水仙花的多种组织进行了长读长转录组测序，发现了NtCYP96T1的表达水平相较于其他报道中低，通过烟草瞬时表达证明其确实具有催化p-p’骨架反应的活性。而其同源基因之一NtCPY96T6在酵母中证明其具有催化p-o’骨架反应的活性。为了鉴定出催化o-p’骨架反应的关键酶，作者在烟草中瞬转了与NtCYP96T1高度共表达的基因的不同组合，结果发现NtCYP96T5与NtSDR1共转时可以催化o-p’骨架的反应，而单独转化都没有该功能。这部分结果表明了不同的CYP96家族成员可以催化三种不同的骨架模式，从而产生多种AmAs。通过将NtCYP96T1、NtCYP96T6定点突变并瞬转烟草表达的结果表明，水仙花中的生物碱合成可以被高度相似的酶控制，其中单个氨基酸突变能够产生完全不同类别的生物活性AmAs。随后，作者通过转录组和烟草瞬时转化鉴定了Haemanthamine和Galantamine生物合成的基因。最后，作者探索了药用植物藜芦中类固醇生物碱的生物合成，利用RT-qPCR追踪了GABAT1基因的表达，为未来发现藜芦中生物碱的生物合成途径探索奠定了基础。综上所述，该研究通过对石蒜科植物毒素生物合成途径的探索，提出了一种研究隐芽植物中植物毒素生物合成途径的范式，并为未来发现这些重要植物毒素的产生途径奠定了基础。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.027来源： BioArt植物
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