微生物细胞工厂可能有助于找到研究不足的植物分子的根源

由加州大学圣地亚哥分校共同领导的一个研究小组开发了一种方法，利用微生物细胞工厂以前所未有的水平生产一类特殊的植物激素，称为strigolactones。通过扩增刺三内酯的产生，研究人员现在有能力比以前更深入地研究这些稀有而神秘的植物分子

这项发表在《科学》杂志上的研究可以通过深入了解植物如何制造和使用天然激素来适应和生存，帮助改善可持续农业实践

全世界的科学家都对三羟内酯感兴趣，因为它们在控制植物发育、调节植物与附近土壤微生物的共生关系以及引发寄生植物发芽方面发挥着重要作用

但是，对这些strigolactones的理解进展有点停滞，部分原因是这些分子在植物中的含量很低。因此，科学家们不得不使用费力的方法，通常使用大量的植物材料，才能获得足够的材料来识别它们

现在，加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的研究人员与加州大学河滨分校和日本宇都宫大学合作，利用微生物细胞工厂将基因组学驱动的策略引入到调查中，以克服丰度挑战

“我们有这种工程方法，使一切变得更容易，以前不可能的事情现在成为可能，”该研究的共同通讯作者Yanran Li说，他是加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院Aiiso Yufeng Li家族化学与纳米工程系的教授，专门从事合成生物学和代谢工程。

该团队的方法利用了大肠杆菌和面包酵母的能力来生产strigolactones。通过共培养这两种宿主，研究人员创建了一个微生物细胞工厂，其产生的三内酯产量比以前的微生物群落高125倍以上

相比之下，研究刺五加内酯的传统方法可能需要提取至少340升木质部树液，相当于七八棵杨树。李解释说，实际上，这个量需要接近1000升，以考虑分离和纯化化合物的损失

李说：“通过使用这种微生物细胞工厂，你可以绕过提取大量木质部树液，从而摧毁数十棵树木，以发现对植物生理学重要的分子。”工程方法

第一个三羟内酯是在20世纪60年代发现的，但直到2008年才认识到这种化合物的激素作用。作为激素，刺五加内酯控制着植物的发育及其对胁迫的反应，如低水分或低营养状况

自2008年意识到这一点以来，植物生物学家一直在努力弄清楚刺五加内酯及其相关化合物的化学成分和用途。到目前为止，研究结果更多的是推测性的，而不是结论性的，部分原因是植物中激素化合物的含量非常低

到目前为止，已经发现了大约30种strigolactones，它们都有一个共同的祖先。大多数开花植物中的一个特定蛋白质编码基因（CPY722C）是促使这种前体转化为许多雌内酯的原因

由于该基因的姐妹基因在种子植物中广泛存在，李和她的团队假设这些姐妹基因，标记为CYP722A和CYP722B，也可能使三羟内酯具有重要的生物学作用

为了进行调查，研究人员测试了他们之前开发的通过共培养大肠杆菌和贝克酵母制成的微生物细胞工厂中姐妹基因的情况。通过这个平台，他们表达了来自16种不同植物的CYP722A和CYP722B基因，包括杨树、辣椒、豌豆和桃

通过进一步的代谢工程，第一作者、李实验室的化学工程博士生Anqi Zhou找到了优化三羟内酯输出浓度的有效方法，比以前提高了125倍以上

这种增强的浓度为研究人员提供了足够的材料来弄清楚任何所得化合物的结构，这可能在植物生理学中发挥重要作用

其中一个重要分子可能是CYP722A或CYP722B产生的新型化合物：一种名为16-羟基carlactone acid（16-OH-CLA）的三内酯

与超过100000名依赖Phys.org获取日常见解的订阅者一起探索科学、技术和太空的最新进展。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展

虽然之前已有16-OH-CLA的报道，但其确切结构及其重要性尚不完全清楚。由于微生物细胞工厂能够生产足够数量的16-OH-CLA，该团队首次发现了其精确的结构

有趣的是，当研究人员在植物中寻找16-OH-CLA时，他们只在茎中检测到它，而不是在根中，这与所有其他已知的三羟内酯不同。更重要的是，这种化合物并非一直存在。对于胡椒或普通豌豆等一年生植物，一旦植物成熟发育，这种化合物就会消失。对于像白杨这样的树来说，这是季节性的

尽管16-OH-CLA的具体功能仍然难以捉摸，但它在种子植物和不寻常的植物区域中的普遍存在表明，它可能在植物信号传导或适应环境挑战方面发挥关键但未被充分认识的作用

得益于新的工程方法，研究人员将很容易获得他们需要更深入挖掘的数量——这正是李和团队现在正在研究的 More information: Anqi Zhou et al, Evolution of interorganismal strigolactone biosynthesis in seed plants, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adp0779. www.science.org/doi/10.1126/science.adp0779

Journal information: Science