Cell：番茄中法卡林二醇生物合成关键基因被鉴定，解析植物-病原菌互作新机制

来源：BioArt植物

为了应对生物胁迫，植物会产生一系列高度修饰的脂肪酸，这些脂肪酸具有不同寻常的化学功能。乙酰脂肪酸是种子油中存在的一个氧化脂质家族，可在害虫和病原体胁迫下合成【1,2】。与其它广泛存在的植物代谢物家族（如生物碱和萜烯）相比，我们对高度修饰脂肪酸的生物合成途径知之甚少，这限制了我们通过代谢工程制备功能脂质的进程【3】。法卡林二醇（Falcarindiol）是胡萝卜、番茄和芹菜中一种典型的抑制真菌和癌细胞系生长的乙酰基脂质。它是一种对多种癌症细胞系具有强烈抗真菌活性和细胞毒性的膳食代谢物【4】，但目前尚没有报道其合成途径的相关基因。

2020年1月9日，Cell杂志在线发表了斯坦福大学化学工程系Elizabeth Sattely研究组题为A Pathogen-Responsive Gene Cluster for Highly Modified Fatty Acids in Tomato 的研究论文。该研究采用非靶向代谢组学和RNA测序相结合的方法，在番茄中发现了一组基因簇参与番茄中法卡林二醇的生物合成，并影响番茄对病原菌的抗性。

为了揭示番茄中法卡林二醇生物合成的候选基因，作者用不同的微生物激发子对番茄叶片进行处理，来诱导法卡林二醇的积累。研究发现，法卡林二醇的生物合成可在番茄中诱导合成，且真菌和细菌菌株都可以诱导法卡林二醇的产生。由于代谢产物水平的时间变化可能与生物合成的转录水平相关，作者对侵染后样品进行了代谢组及转录组测定，通过分析基因表达差异及代谢物含量，发现Solyc12g100240和Solyc12g100260 (ACET1a和ACET1b, ACETYLENASE1a) 可能是法卡林二醇生物合成途径中的关键酶基因。

生化实验表明这两个基因编码一种相同的乙酰化酶，能将亚油酸转化为丙烯烯酸，这表明它可能催化了番茄中法卡林二醇合成途径的第一步。反向相关分析证明法卡林二醇与ACET1a表达最相关，暗示这些基因在法卡林二醇的生物合成中的作用。进一步分析显示，位于ACET1a和ACET1b基因簇内的Solyc12g100250 and Solyc1210070也可能参与镰刀菌素的生物合成。

细菌中基因簇的计算识别大大加快了相关合成途径发现的速度。在植物中，基因聚集的现象才刚刚开始被理解。迄今为止，约30个基因簇参与几种植物特异性代谢物合成【5】。作者利用CRISPR/Cas9构建上述基因簇的相关突变体，发现突变体中不能合成或大幅降低法卡林二醇，说明该基因簇在此生物合成途径中具有重要作用。作者还对相关突变体进行致病性分析，发现该基因簇的突变可使番茄中与法卡林二醇产生相关的修饰脂肪酸生物合成中断，并导致番茄对一些病原菌的抗性增强，而不会影响基础免疫反应。缺乏效应因子AvrPto和AvrPtoB的突变体对Pst DC3000的抗性更强，表明这些病原菌的效应因子直接或间接干扰了Pst DC3000感染过程中植物修饰脂肪酸的生物合成。这些遗传证据证明该基因簇参与法卡林二醇介导的番茄免疫反应。

利用代谢组及转录组鉴定ACET1基因簇参与番茄抗病物质镰刀菌素合成

综上，作者利用转录组和代谢组分析，成功鉴定了番茄中抗病物质法卡林二醇合成关键基因簇。该研究建立的方法有助于加速化合物合成途径的鉴定，对挖掘生物合成的巨大潜力至关重要。同时，该项研究也进一步说明了高度修饰的脂肪酸途径在植物-真菌相互作用结果中功能的重要性。由该类基因产生的乙酰基衍生物是否参与植物-真菌间的交流是未来的研究方向。

参考文献

1. Konovalov, D.A. (2014). Polyacetylene compounds of plants of the Asteraceaefamily. Pharm. Chem. J. 48, 613–631.

2. Minto, R.E., and Blacklock, B.J. (2008). Biosynthesis and function of polyacetylenes and allied natural products. Prog. Lipid Res. 47, 233–306.

3. Qi, B., Fraser, T., Mugford, S., Dobson, G., Sayanova, O., Butler, J., Napier, J.A., Stobart, A.K., and Lazarus, C.M. (2004). Production of very long chain polyunsaturated omega-3 and omega-6 fatty acids in plants. Nat. Biotechnol. 22, 739–745

4. Zidorn, C., Jo¨ hrer, K., Ganzera, M., Schubert, B., Sigmund, E.M., Mader, J., Greil, R., Ellmerer, E.P., and Stuppner, H. (2005). Polyacetylenes from the Apiaceae vegetables carrot, celery, fennel, parsley, and parsnip and their cytotoxic activities. J. Agric. Food Chem. 53, 2518–2523.

5. Nutzmann, H.W., Huang, A., and Osbourn, A. (2016). Plant metabolic clusters -from genetics to genomics. New Phytol. 211, 771–789.

论文链接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)31322-4