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萜类化合物是目前已知数量最多、结构最复杂的一类次生代谢物。大环二萜是一类结构新颖的天然活性化合物，既是一类植物抗毒素参与抗性防御过程，又具有潜在的药用价值。常见casbene型大环二萜包括casbene和neocembrene 两种，团队前期研究中发现水稻OsTPS28为casbene二萜合酶，和2个CYP450酶组成单环二萜基因簇DGC7共同参与水稻对白叶枯病的抗性防御过程 (Zhan et al., Nature Plants, 2020)，而水稻中neocembrene的催化合成机制尚不清楚。解析neocembrene代谢合成途径将完善水稻中大环二萜的代谢通路并促进对复杂萜类代谢网络的理解。此外，对萜烯合酶特定亚家族的演化历史进行深入研究，将为理解整个萜烯合酶家族的演化图谱和不同酶家族的演化规律提供理论基础。近日，JIPB在线发表了崖州湾国家实验室/海南大学罗杰团队题为“Molecular and biochemical
evolution of casbene-type diterpene and sesquiterpene biosynthesis in rice”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.13836)，揭示了水稻中casbene型二萜和倍半萜生物合成的分子和生化演化机制。作者通过酶活性测试、亚细胞定位和代谢谱检测分析等实验手段，综合分析鉴定了两个新的TPS-a1亚家族基因OsTPS2和OsTPS10分别为neocembrene二萜合酶和τ-cadinol倍半萜合酶。图1. 水稻OsTPSs的系统发育分析和OsTPS2和OsTPS10的功能验证OsTPS2和OsTPS28的蛋白序列一致性为70%，其催化产生两种结构相似的大环二萜。为了探索导致它们不同酶活功能的催化机制，作者通过构建一系列OsTPS2和OsTPS28之间交换N端或C端结构域的重组蛋白 (RPs)，并结合蛋白结构模拟和小分子对接、点突变酶活实验等分析验证了362位His (H362R) 对OsTPS2和OsTPS28的催化功能特异性至关重要。图2. OsTPS2和OsTPS28酶活性的比较分析
结合多物种同源基因功能验证和演化分析，作者总结了水稻萜烯合酶TPS-a1亚家族中OsTPS2、OsTPS10和OsTPS28参与二萜和倍半萜合成的演化模式：倍半萜合成酶OsTPS10在单子叶植物中保守，其首次出现在野生稻中，而neocembrene二萜合酶OsTPS2和casbene二萜合酶OsTPS28则通过基因复制、转运肽招募和H362R关键氨基酸突变等依次在水稻野生稻和栽培稻中演化。
图3. 禾本科植物中涉及casbene类型二萜和倍半萜生物合成的TPSs的进化规律
总之，这项研究不仅鉴定了新的neocembrene二萜合酶OsTPS2和倍半萜合酶OsTPS10，而且扩展了对水稻萜烯合酶代谢途径和演化模式的理解，为理解植物整个萜烯合酶途径的进化图谱和不同酶家族的进化规律提供了理论参考。
海南大学已毕业博士 (现崖州湾国家实验室博士后) 周申、崖州湾国家实验室青年科学家占传松为该论文的共同第一作者，崖州湾国家实验室罗杰教授和青年科学家沈双欠为该论文的共同通讯作者。团队成员朱津津、杨陈坤、赵巧巧、周骏杰、孙阳阳等也参与部分研究。该研究得到了三亚崖州湾科技城研究项目、国家自然科学基金、海南省自然科学基金、崖州湾国家实验室团队研究基金等的资助。文章引用：
Zhou, S., Zhan, C., Zhu, J., Yang, C., Zhao, Q., Sun, Y., Zhou, J., Shen, S., and Luo, J. (2025). Molecular and biochemical evolution of casbene-type diterpene and sesquiterpene biosynthesis in rice. J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.13836本公众号免费发布招聘信息和宣传科研成果
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