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Science、Mol Plant、JIPB多篇论文解析植物中水杨酸的完整生物合成途径!

来源:花匠小妙招 时间:2024-11-28 15:00


撰文 | 王一

水杨酸(Salicylic acid,SA) 是重要的植物激素,参与植物的生物胁迫和非生物胁迫响应。植物中有两条水杨酸合成途径:异分支酸合成酶途径 (Isochorismate Synthase, ICS) 和苯丙氨酸解氨酶途径( PhenylalanineAmmonia Lyase, PAL) 。在拟南芥中,病原菌诱导的SA生物合成大约有10%是通过苯丙氨酸解氨酶途径实现,而90%的SA都是通过异分支酸合成酶途径合成。


在异分支酸合成酶途径中,异分支酸合酶 ( isochorismate synthase 1, ICS1) 催化分支酸 (chorismic acid, CA ) 生成异分支酸 (isochorismate, ISC) 。细菌可通过异分支酸丙酮酸裂合酶 (isochorismatepyruvate lyase, IPL) 催化ICS生成SA,但是多年的研究在植物中并没有发现具有IPL功能的酶,这说明植物利用不同的途径从ICS生成SA。

2019年,德国哥廷根大学Ivo Feussner实验室和加拿大英属哥伦比亚大学张跃林实验室在Science发表的题为From isochorismate to salicylate: a new reaction mechanism forsalicylic acid biosynthesis的研究论文和美国麻省理工学院Jing-Ke Weng实验室在Molecular Plant发表的题为PBS3 and EPS1 completesalicylic acid biosynthesis from isochorismate in Arabidopsis的研究论文,报道了PBS3是植物中SA生物合成途径中的最后关键一环,完善了SA合成的异分支酸合成酶途径。




在Ivo Feussner实验室/张跃林实验室完成的研究中,研究人员通过遗传分析和生物化学分析发现,植物水杨酸合成途径中,异分支酸生成后只需两种蛋白即可生成SA,分别为EDS5 (ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY5) 和PBS3 (avrPphB SUSCEPTIBLE3) 。EDS5的功能是把异分支酸从质体转运到细胞质。PBS3是一种氨基转移酶,在它的催化作用下,异分支酸和谷氨酸生成一种之前未知的化合物异分支酸-谷氨酸加合物 (ISC-9-Glu) ,后者非常不稳定,可自发分解生成SA。因此,PBS3是植物SA生物合成途径中缺少的关键酶。


Jing-Ke Weng 实验室的研究中,利用遗传学和生化手段,他们同样发现,PBS3是植物SA生物合成途径中一直未被发现的关键酶。此外,该团队还发现在最后的步骤中,除了ISC-9-Glu自发分解生成SA之外,ISC-9-Glu还可以被EPS1催化生成SA。值得一提的是,该团队还利用拟南芥SA合成的关键基因在烟草中重现了SA的生物合成。


两个团队的研究相互印证支持PBS3是植物中SA生物合成途径中的最后关键一环。至此,植物中SA生物合成异分支酸合成酶途径终于被完善!

正如前文提到,SA的生物合成大约有10%是通过苯丙氨酸解氨酶 (PAL) 途径实现,然而PAL途径中合成SA的相关组分尚未被报道,拟南芥中SA是否来源于苯丙氨酸也缺乏相关确凿的证据。

2022年11月15日,中科院深圳先进技术研究院赵乔课题组题为Salicylic acid biosynthesis is not from phenylalanine in Arabidopsis的论文,意外的发现苯丙氨酸不能合成SA (2-Hydroxybenzoic acid,2-HBA) ,而是合成SA的同分异构体4-羟基苯甲酸 (4-Hydroxybenzoic acid,4-HBA) ,推翻了近30年来苯丙氨酸解氨酶途径合成SA的假设。


IC途径合成SA,PAL途径合成SA的同分异构体4-HBA

因此,以上三项工作完善了SA的生物合成途径,也为作物抗病育种提供了新的机会。


论文链接:

Science论文DOI:

10.1126/science.aaw1720

Mol Plant论文DOI:

10.1016/j.molp.2019.11.005

JIPB 论文DOI:

10.1111/jip‍b.13410

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