重建植物代謝進(jìn)化的科學(xué)方法

植物進(jìn)化產(chǎn)生了不同種類的化合物。這些化合物在植物的生存策略中起著關(guān)鍵作用?？辔逗陀卸镜幕衔锟梢员Ｗo(hù)植物免受昆蟲和動(dòng)物的侵害。同時(shí)，氣味好的化合物或色彩鮮艷的色素會(huì)吸引攜帶花粉的昆蟲。

在植物產(chǎn)生的化合物中，有些物質(zhì)由于對(duì)人體有生理作用而具有藥用價(jià)值。研究人員報(bào)道，苦參堿可以作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的抑制劑，類似于嗎啡，琥珀酰亞胺A也可以作為治療阿爾茨海默病的補(bǔ)充劑。這些化合物被稱為生物堿，也是氨基酸賴氨酸在一些植物物種中的代謝產(chǎn)物。

賴氨酸衍生的生物堿系統(tǒng)是如何在植物中進(jìn)化的？2016年，千葉大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生賴氨酸衍生生物堿的植物具有特殊的酶，對(duì)鳥氨酸和賴氨酸具有雙功能脫羧活性(賴氨酸/鳥氨酸脫羧酶)。這些酶是通過(guò)一種古老酶(鳥氨酸脫羧酶)的微突變進(jìn)化而來(lái)的，這種酶是產(chǎn)生多胺所必需的，多胺用于各種生物的基本活動(dòng)和生物活動(dòng)(如細(xì)胞分裂)。這些酶可以脫羧并激活氨基酸賴氨酸，然后將其送入植物細(xì)胞中產(chǎn)生生物堿。微突變對(duì)生物堿生產(chǎn)代謝非常重要，以賴氨酸為生物堿生產(chǎn)原料的植物很常見。

自2016年這一發(fā)現(xiàn)以來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)一直期待微變位酶是植物進(jìn)化并產(chǎn)生某些生物堿的關(guān)鍵因素，因?yàn)檫@種突變只能在產(chǎn)生賴氨酸衍生生物堿的植物物種中看到。

最后，千葉大學(xué)、物理化學(xué)研究所、通用DNA研究所研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表的論文證實(shí)了《植物學(xué)》雜志認(rèn)為賴氨酸/鳥氨酸是由基因酶產(chǎn)生的生物堿脫羧而成。2019年7月31日，羽扇豆將賴氨酸衍生的生物堿生產(chǎn)成擬南芥。該團(tuán)隊(duì)還確定了擬南芥中新產(chǎn)生的代謝物的類型，擬南芥是一種最初不產(chǎn)生任何生物堿的模式植物。

值得注意的是，研究團(tuán)隊(duì)重建了植物生長(zhǎng)生物堿的植物代謝進(jìn)化。通過(guò)插入酶基因轉(zhuǎn)化代謝流，轉(zhuǎn)化擬南芥產(chǎn)生生物堿。在擬南芥中引入的基因的表達(dá)導(dǎo)致由賴氨酸產(chǎn)生尸胺(1，5-二氨基戊烷)，賴氨酸被內(nèi)源酶進(jìn)一步代謝。這些過(guò)程導(dǎo)致產(chǎn)生新的生物堿相關(guān)代謝物；擬南芥的5-氨基戊醛、5-氨基戊酸和-戊內(nèi)酰胺。

通過(guò)檢測(cè)基因?qū)肭昂蟠x物的變化，研究團(tuán)隊(duì)成功確定新產(chǎn)生的物質(zhì)是一個(gè)值得注意的方法學(xué)發(fā)展，鑒于植物通常含有數(shù)千種代謝物，這是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

千葉縣副教授said山崎說(shuō)：“通過(guò)操縱植物中的基因，我們可以改變代謝流，并確定細(xì)胞中產(chǎn)生的生物堿類型，這是下一個(gè)發(fā)現(xiàn)的重要一步?！?。大學(xué)，誰(shuí)領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)？“我們的研究開辟了一條可能的途徑，通過(guò)對(duì)具有不同代謝能力的植物進(jìn)行類似的基因工程來(lái)生產(chǎn)新化合物，而這些在自然界中是不存在的?；瘜W(xué)多樣性的擴(kuò)大是發(fā)展的必要條件。醫(yī)藥工業(yè)的種子”。

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