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Mol Plant:中科院上海植生所黄继荣研究组揭示植物苯丙氨酸合成调控新机制

摘要 : 2016年12月6日,国际著名学术杂志《Cell》子刊《Molecular Plant》杂志在线发表了中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所黄继荣研究组题为“Arogenate Dehydratase Isoforms Differentially Regulate Anthocyanin Biosynthesis in Arabidopsis thaliana”的研究论文

 2016年12月6日,国际著名学术杂志《Cell》子刊《Molecular Plant》杂志在线发表了中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所黄继荣研究组题为“Arogenate Dehydratase Isoforms Differentially Regulate Anthocyanin Biosynthesis in Arabidopsis thaliana”的研究论文,研究论文揭示了Phe合成调控的新机制。博士生陈庆波与满聪为论文共同第一作者,黄继荣研究员为论文通讯作者。

植物中至少有25%的光合产物储存在由苯丙氨酸(Phe)衍化而来的苯丙烷类化合物(例如木质素、黄酮)之中。但大量光合产物流入苯丙烷类代谢通路的机理尚不清楚。Phe在叶绿体中以来自莽草酸途径的分支酸作为前体、主要通过分支酸变位酶、预苯酸转氨酶和阿罗酸脱水酶三步反应合成的。这条途径在光合细菌和植物中高度保守,其中催化最后一步反应的阿罗酸脱水酶(Arogenate dehydratase, ADT)被认为是关键酶,其活性通常受到Phe产物的反馈抑制。

研究团队以苯丙烷类化合物—花青素的合成为研究对象,通过遗传学分析发现模式植物拟南芥中的六个ADT酶对花青素合成的贡献各不相同,ADT2的作用最大、其次是ADT1和ADT3、最后是ADT4-ADT6,且成员之间具有冗余性。在植物培养过程中,适当添加Phe不但能促进野生型合成更多的花青素,而且还能恢复adt突变体花青素含量低的表型,说明Phe含量对花青素合成起着重要作用,也为代谢流调控苯丙烷类化合物合成提供了新的佐证。更有意思的发现是当我们异位表达ADT的时候,发现只有ADT4和ADT5的过表达植株才呈现花青素过量积累的表型,而其它ADT过表达植株与对照之间的差异不显著。同时还观察到过表达ADT4和ADT5导致植株生长不良,不能开花结实的现象,这与体内过量积累Phe的表型一致,表明ADT4和ADT5酶活性可能不受其产物Phe的反馈抑制。进一步的生化实验数据证明:在高浓度的Phe条件下,ADT4仍然具有较高的催化活性,而ADT2的活性则很低。进化树分析结果显示ADT4和ADT5出现较晚,是经一次基因复制而来。根据以往发表的论文结果:ADT4与ADT5在木质素合成中比其它ADT起着更重要的作用,ADT4/5的突变导致植株茎秆软化而不能直立。因此,我们推测苯丙氨酸反馈抑制不敏感的ADT4/5的出现也许有利于植物在陆地环境中更好地生长,这一猜想有待今后的进一步验证。

原文链接:

Arogenate Dehydratase Isoforms Differentially Regulate Anthocyanin Biosynthesis in Arabidopsis thaliana

原文摘要:

Anthocyanins, a group of L-phenylalanine (Phe)-derived flavonoids, have been demonstrated to play important roles in plant stress resistance and interactions between plants and insects. Although the anthocyanin biosynthetic pathway and its regulatory mechanisms have been extensively studied, it remains unclear whether the level of Phe supply affects anthocyanin biosynthesis. Here, we investigated the roles of arogenate dehydratases (ADTs), the key enzymes that catalyze the conversion of arogenate into Phe, in sucrose-induced anthocyanin biosynthesis in Arabidopsis. Genetic analysis showed that all six ADT isoforms function redundantly in anthocyanin biosynthesis but have differential contributions. ADT2 contributes the most to anthocyanin accumulation, followed by ADT1 and ADT3, and ADT4–ADT6. We found that anthocyanin content is positively correlated with the levels of Phe and sucrose-induced ADT transcripts in seedlings. Consistently, addition of Phe to the medium could dramatically increase anthocyanin content in the wild-type plants and rescue the phenotype of the adt1 adt3double mutant regarding the anthocyanin accumulation. Moreover, transgenic plants overexpressing ADT4, which appears to be less sensitive to Phe than overexpression of ADT2, hyperaccumulate Phe and produce elevated level of anthocyanins. Taken together, our results suggest that the level of Phe is an important regulatory factor for sustaining anthocyanin biosynthesis.

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