一种新开发的工具将简化对稀有植物分子的研究。研究人员利用大肠杆菌和酵母菌创建了微生物细胞工厂，以前所未有的数量生产一类特定的植物激素，称为榄酸类。通过增加这些通常在植物中以微量存在的激素的产出，科学家们现在可以更详细地研究这些难以捉摸的分子。这项研究有望通过提供更深入的见解，增强可持续农业实践，了解植物如何产生和利用其天然激素以适应和生存。
有时，利用不同的工具可以大大简化一项挑战性任务。由加州大学圣地亚哥分校共同领导的研究团队开发了一种新方法，利用微生物细胞工厂以前所未有的数量生成一类特定的植物激素——榄酸类。该进展使研究人员能够更全面地研究这些稀有而引人入胜的植物分子。
这项研究成果于1月17日发表在《科学》杂志上，可能通过提供关于植物如何创造和利用其天然激素以适应和繁荣的更深入的知识，从而增强可持续农业方法。
全球范围内，科学家们对榄酸类产生了浓厚的兴趣，因为它们在调节植物生长、管理植物与周围土壤微生物的共生相互作用以及启动寄生植物的发芽中发挥着重要作用。
然而，全面理解榄酸类功能的进步有所放缓，主要是因为这些分子在植物中以微量存在。因此，研究人员常常不得不采用繁琐的程序，需要大量的植物材料来收集足够的物质进行识别。
现在，加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的一个团队，与加州大学河滨分校和日本宇都宫大学合作，采用以基因组学为中心的方法，利用微生物细胞工厂来应对这一生产挑战。
“我们实施了一种工程策略，显著简化了这一过程，使得以前无法完成的任务变为可实现的，”加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的教授李彦然解释道，她专注于合成生物学和代谢工程。
这一创新策略利用了大肠杆菌和酵母，形成了一个微生物细胞工厂，其榄酸类的生产水平是早期微生物设置的125倍以上。相比之下，传统的榄酸类研究方法需要提取至少340升的木质部汁液——大约相当于从7或8棵白杨树中获得的量。实际上，为了弥补提取损失，这一体积需要接近1000升，李指出。
“利用这种微生物细胞工厂意味着您可以避免提取大量的木质部汁液，从而防止由于为了发现重要的植物生理分子而破坏大量树木造成的生态损害，”李表示。
工程方法
第一个榄酸类的发现可以追溯到1960年代，但直到2008年，这一类激素的作用才得到了认可。作为激素，榄酸类会影响植物的生长以及它们对缺水或缺乏养分等压力因素的反应。自从2008年建立这样的基础理解以来，植物生物学家一直希望揭示榄酸类及相似化合物的化学特性和功能。然而，由于这些激素在植物中的浓度极低，发现更多的是理论而非明确的结果。
迄今为止，已识别出大约30种榄酸类，所有这些都可以追溯到一个共同的祖先。这种前体转变为各种榄酸类的过程是由几乎所有开花植物中发现的特定蛋白编码基因（CPY722C）驱动的。由于相关基因CYP722A和CYP722B在种子植物中普遍存在，李和她的团队假设这些基因也可能合成具有重要生物功能的榄酸类。
为了探究这一点，研究人员在他们先前建立的微生物细胞工厂中评估了姊妹基因的效果，该工厂是通过共培养大肠杆菌和酵母建立的。他们表达了来自16种不同植物物种的CYP722A和CYP722B基因，包括白杨、辣椒、豌豆和桃子。通过进一步的代谢工程，李实验室的博士生周安琪发现有效的方法可以将榄酸类的浓度提高125倍以上。
这种提高的生产力为研究人员提供了足够的材料，以阐明所产生化合物的结构，这可能对植物生理学至关重要。
从CYP722A或CYP722B途径中获得的一个重要化合物是名为16-羟基-卡拉克酮酸（16-OH-CLA）的榄酸类。
根系，非根系
虽然16-OH-CLA之前已经被识别，但其精确结构和重要性并没有被彻底理解。通过微生物细胞工厂生产大量的16-OH-CLA使得研究团队第一次能够确定其确切结构。
有趣的是，在寻找植物中的16-OH-CLA时，研究人员发现它只存在于茎中，而不是根中，这与所有其他已记录的榄酸类形成对比。此外，该化合物并不总是存在；对于辣椒或普通豌豆等一年生植物来说，植物成熟后它便消失。相反，在白杨等树木中，它只季节性出现。
尽管16-OH-CLA的具体作用仍不清楚，但其在种子植物中频繁检测到及其独特定位表明，它可能在植物信号传导或对环境压力的适应中发挥重要但被低估的作用。得益于新的工程方法，研究人员将有充足的材料来进行进一步的研究——这是李和她的团队目前在努力进行的工作。
*这些作者对本研究作出了同等贡献。
本研究得到了国家科学基金会的支持（包括CAREER奖CBET-2144626、IOS-1856741和IOS-2329271，以及CAREER奖2047396和研究培训计划资助DGE-1922642“Plants3D”），美国农业部-国家食品与农业研究所（USDA-NIFA）（AFRI博士前奖学金2023-67011-40396），日本科学技术局（FOREST，JPMJFR220F），和日本学术振兴会（JSPS）（KAKENHI，21H02125）。
