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微生物细胞工厂帮助科学家大量生产尚未充分研究的植物激素

来源：花匠小妙招时间：2025-07-13 08:50

在植物王国中，有一类神秘的小分子激素——独脚金内酯（Strigolactones, SLs），它们通过调控植物生长和环境适应性发挥着不可或缺的作用。从促进枝条生长到增强植物对干旱的抵抗力，独脚金内酯为植物提供了多样化的生存工具。独脚金内酯分为两大类：经典型和非经典型。经典型独脚金内酯主要充当向微生物和植物发出的信号，而非经典型则被认为在植物内担任激素角色。尽管科学家已经鉴定出了约 30 种独脚金内酯，但它们的研究始终面临一个巨大挑战——产量稀少。这导致科学家必须依赖大量植物材料才能获得足够的样本。仅提取足量用于实验的独脚金内酯可能需要毁掉数十棵树，这既费力又不环保。

为了解决这一难题，来自加州大学圣地亚哥分校等机构的研究团队提出利用微生物细胞工厂，将植物中关键的代谢路径“移植”到大肠杆菌和面包酵母中，建立了一个“迷你工厂”，不仅能够大量生产独脚金内酯，还能帮助揭示其生物合成路径和功能。通过这项研究，科学家们不仅破解了一种未被充分研究的非经典独脚金内酯——16-羟基-己内酯酸（16-OH-CLA）的结构和功能，还揭示了独脚金内酯从非经典到经典的进化历程。这一成果发表在 Science 上，题为“Evolution of interorganismal strigolactone biosynthesis in seed plants”。

所有的独脚金内酯都有一个共同的祖先。推动这种前体物质转化为不同亚型的，是一种编码蛋白质的基因——CPY722C，其存在于大多数开花植物中。这个基因相关的姐妹基因在种子植物中广泛分布，研究团队推测 CYP722A 和 CYP722B 这对姐妹基因，可能也参与合成具有关键生物学功能的独脚金内酯。于是研究团队从 16 种不同植物（包括杨树、辣椒、豌豆和桃子）中提取了 CYP722A 和 CYP722B 基因，并将其整合到微生物细胞中。同时，他们优化了代谢途径的关键步骤：通过选择最佳的基因版本、调控酶的表达水平以及调整发酵条件，极大地提高了独脚金内酯的产量。与早期的尝试相比，这一平台的产量提升了 125 倍以上。

图|利用合成生物学技术解析了独脚金内酯生物合成基因，通过工程化微生物菌群重建了独脚金内酯合成途径（来源：上述论文）

图|16-OH-CLA在植物体内激活了独脚金内酯响应，16-OH-CLA显著抑制了植株在花后14天时的腋芽生长（来源：上述论文）

研究团队通过微生物细胞工厂的高效生产系统发现，CYP722A 是 CYP722C 的进化前体。CYP722A 能够将 CLA 转化为 16-OH-CLA，这是一种非经典型独脚金内酯。在进一步的实验中，科学家通过精密的质谱和分子模拟发现，16-OH-CLA 的分布具有明显的组织特异性。这种化合物仅在植物的芽组织中被检测到，而其他大多数独脚金内酯则主要分布在根或根系分泌物中。更有趣的是，16-OH-CLA 能够通过 D14 受体介导信号传递，并调控植物的侧枝分化。然而，与其他独脚金内酯不同，16-OH-CLA 的生理活性依赖于 CLAMT 和 LBO 两种酶的进一步代谢。在这两种酶的作用下，16-OH-CLA 被转化为 16-OH-MeCLA 和其他未知代谢产物。研究人员推测，这些代谢产物可能具有更强的激素活性，并在调控植物生长中扮演关键角色。

图|16-OH-CLA在植物体内激活了独脚金内酯响应，16-OH-CLA显著抑制了植株在花后14天时的腋芽生长（来源：上述论文）

此外，研究还揭示了CYP722C 的进化历程。通过结构分析和定点突变实验，科学家发现 CYP722C 通过 CYP722A 的关键氨基酸突变而获得了新功能。具体而言，一次单氨基酸突变（F465I）导致 CYP722C 能够催化 CLA 在 C18 位的氧化，生成经典型独脚金内酯 18-OH-CLA。这一结果表明，CYP722C 的出现标志着独脚金内酯从非经典型向经典型的进化过渡。

值得注意的是，研究团队还观察到 16-OH-CLA 在不同植物中的分布规律具有动态性。在辣椒或豌豆等一年生植物中，16-OH-CLA 在植物成熟后迅速消失，而在杨树等多年生植物中，其含量则表现出季节性的波动。这些发现不仅说明 16-OH-CLA 在植物中的功能可能与发育阶段或环境条件相关，还为研究植物如何调控激素的时空分布提供了新的方向。

研究不仅首次全面解析了 16-OH-CLA 的代谢路径和组织特异性，还揭示了其在植物分枝调控中的潜在功能。通过代谢工程优化，研究团队成功建立了高效的独脚金内酯微生物生产平台，为探索稀有植物激素的生物学功能提供了新的可能性。这一平台不仅解决了传统方法对植物资源依赖的问题，还为农业生产和生态保护开辟了全新路径。理解独脚金内酯的信号机制还可以帮助科学家设计新型寄生植物抑制剂，降低粮食作物的损失风险。更重要的是，这一微生物平台不仅适用于独脚金内酯，还为研究其他稀有植物代谢物提供了技术范例，有望推动植物科学、农业和医药领域的进一步发展。

1.Anqi Zhou et al.,Evolution of interorganismal strigolactone biosynthesis in seed plants.Science387,eadp0779(2025).DOI:10.1126/science.adp0779

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