|
酪氨酸，苯丙氨酸和色氨酸是植物体内的三种芳香族氨基酸。这三种氨基酸不仅仅是蛋白质合成所必不可少的基本组成单元，也是种类繁多的次生代谢物和一些植物激素的前体。为深入解析芳香族氨基酸的合成与代谢途径，我们前期利用拟南芥中芳香族氨基酸合成缺陷突变体（adh2）进行EMS诱变，利用正向遗传学筛选，筛选得到了若干生长发育表型（部分）恢复的突变体（soa）。我们对其中一个突变体（soa1）进行研究，发现一个参与芳香族氨基酸代谢的氨基转移酶VAS1。VAS1定位于细胞质中，利用芳香族氨基酸的氨基，来合成一类新的代谢物—3-羧基苯丙氨酸/酪氨酸。此外，VAS1在细胞质中还可以合成芳香族氨基酸（Phe，Tyr，Trp），从而维持芳香族氨基酸的稳态（Science Advances，2023）。我们还研究了另一个突变体（soa2），鉴定到了参与芳香族氨基酸合成的新成员PGD2，PGD2是连接氧化磷酸戊糖途径与莽草酸途径的桥梁。磷酸戊糖途径通过提供还原力的方式，来促进莽草酸途径的固碳过程（SCIENCE CHINA Life Sciences，2024）。此外，我们还发现了其中一个soa突变体包含莽草酸途径关键酶DHS点突变。已被Hiroshi A. Maeda课题组证实该点突变可以降低DHS受到芳香族氨基酸及其衍生物的反馈抑制而不改变其自身功能，携带该点突变的植株可以积累芳香族氨基酸，且二氧化碳的净同化量增加30%（Science Advances，2022）。后续我们将继续在前期建立的氨基酸合成的正向遗传学筛选体系的基础上，挖掘更多参与芳香族氨基酸合成与代谢途径的基因以及可能的通路途径。  芳香族代谢物种类众多，在维管植物中有大约30%的来自于光合作用的碳源最终都用来合成以芳香族氨基酸为前体的化合物。这些化合物结构迥异，种类繁多，广泛参与调节植物生长发育、繁殖和防御等各种植物生理活动。例如，苯丙氨酸的衍生物广泛分布于植物中，植物中至少有25%的光合产物储存在由苯丙氨酸衍生的代谢物中。苯丙氨酸代谢产物包括香豆素、黄酮（醇）、木质素等；作为植物抗毒素、UV保护因子、花和果实色素、细胞壁结构成分和信号传导分子等，它们不仅能够保护植物免受 UV 辐射，提高植物的抗旱、抗寒、机械损伤等抵抗力，还能够参与植物信号转导以及提高植物对病虫害的抵抗力，在植物生长与发育中发挥了重要的作用。课题组近年来通过遗传分析、代谢组学分析和生物化学分析等手段，在苯丙烷途径化合物的合成、代谢以及调控等研究中取得了一系列进展，揭示了拟南芥苯丙氨酸衍生物类黄酮合成途径调控的新机制（Plant Journal，2020，ESI高被引与热点论文）；木质素合成与其前体苯丙氨酸合成共调控的分子机制（Plant Physiology，2020，ESI高被引与热点论文）；并阐明了苯丙氨酸途径并非拟南芥合成激素水杨酸的途径（JIPB，2023，ESI高被引与热点论文）。  植物中含有丰富的次级代谢产物，种类超过40万种。这些次级代谢物往往发生糖基化、甲基化、酰基化等各种各样的修饰。其中，糖基化是最常见的一种修饰方式，赋予化合物复杂且多样的结构，形成种类繁多的糖基化产物。糖基化修饰可以改变相应苷元的催化活性、溶解性、稳定性及其在细胞中的定位，在调节激素的稳态平衡，外源有害物质解毒，抵御生物和非生物胁迫中都发挥着重要的作用。植物UDP糖基转移酶（UGTs）能够利用不同的糖基供体，糖基化多种多样的植物小分子化合物。目前的研究多数集中在生化功能的确定上，UGTs具有底物杂泛性和催化杂泛性，同一个UGT在体外可以催化结构不同的底物，且不同的UGTs可以识别同一种的底物。此外，由于植物体内的底物可得性和特殊且复杂多变的细胞环境，这些通过生化方法对UGTs活性、生理功能等的研究结果往往不能反映UGTs在植物体内的真实功能。 实验室建立了一种特异针对糖基化合物的代谢组和同位素标记前体化合物示踪相结合（Glycosides-specific metabolomics combined with precursor isotopic labeling, GSM-PIL）的方法，可以高效、准确鉴定UGTs在植物体内的产物，解析UGTs在特定代谢通路中的作用。该方法极大缩小了目标化合物的范围，在糖基化合物定性、方法可靠性方面较传统生化手段或非靶向方法有较大提升，为植物糖基转移酶的功能解析提供了新手段（Molecular Plant，2022）。该方法也可以用于解析其他类型的修饰代谢物。  |