【Plant Cell】研究揭示了植物产生木质素的新机制
作者：iPlants
2024/6/12 10:08:58
木质素的产生是维管植物进化过程中的里程碑事件，一方面，其疏水性促进了水分运输，另一方面，木质素强化了细胞壁为植物提供了机械支撑。木质素是木质纤维素中的重要组成成分，占据了细胞壁成分大约三分之一比例，是良好的固碳分子，有助于“双碳”目标的实现。木质素是影响木质纤维素生物质转化的主要成分，是细胞壁改良领域的重要研究对象。木质素主要有三种类型（H, G和S），低等植物如藻类和苔藓等没有木质素，蕨类和裸子
木质素的产生是维管植物进化过程中的里程碑事件，一方面，其疏水性促进了水分运输，另一方面，木质素强化了细胞壁为植物提供了机械支撑。木质素是木质纤维素中的重要组成成分，占据了细胞壁成分大约三分之一比例，是良好的固碳分子，有助于“双碳”目标的实现。木质素是影响木质纤维素生物质转化的主要成分，是细胞壁改良领域的重要研究对象。木质素主要有三种类型（H, G和S），低等植物如藻类和苔藓等没有木质素，蕨类和裸子植物中主要为H和G型木质素，被子植物则含有三种木质素类型，虽然卷柏类植物是最古老的维管植物，但其独立进化出了S型木质素，因此也含有三种木质素类型。木质素单体的形成来源于植物苯丙素类合成途径，此途径中的三个细胞色素P450酶，C4H，C3’H和F5H1催化了羟基肉桂酸类化合物的形成。细胞色素P450是一类以血红素（heme）为辅基的庞大酶超家族，广泛参与包括脂肪酸、植物固醇、植物激素和苯丙素类等代谢物的生物合成。P450酶的功能发挥依赖于内质网电子传递链系统，成员包括细胞色素P450还原酶（CPR），细胞色素b5还原酶（CBR）和细胞色素b5 (CB5）。CPR和CBR可以分别利用NADPH和NADH来传递还原力，二者皆可以还原CB5蛋白，CPR被认为是P450的主要电子供体。刘长军实验室前期研究发现，拟南芥的CB5 家族成员CB5D是F5H1不可或缺的电子供体（Plant cell, 2019）；F5H1在不同组织部位中可以招募不同的电子传递链为其提供还原力，进而催化酚类物质的合成（Science Advances, 2023）。然而，CB5D功能是如何起源的，其与F5H及S型木质素之间在进化上的关系如何目前仍不清楚。2024年4月24日，The Plant Cell杂志在线发表了来自美国布鲁克海文国家实验室刘长军课题组题为Cytochrome b5 diversity in green lineages preceded the evolution of syringyl lignin biosynthesis的研究论文。在本研究中，作者发现，随着物种进化，CB5基因家族发生显著数量扩增；CB5D 基因的出现远早于F5H，在与陆生植物亲缘关系最近的藻类植物中便已进化产生， 并保存在大多数的陆生植物中。在原始陆生植物苔藓类地钱中已分化出两个CB5基因，其编码蛋白分别定位于叶绿体外膜和内质网，其中定位于内质网的CB5可促进F5H的功能，是CB5D 蛋白。而且陆生植物的CB5D蛋白血红素结合结构域的helix 5中的酸性氨基酸形成了特有模式，这种模式对维持CB5D蛋白功能发挥着重要作用。有意思的是石松类植物卷柏虽然已独立进化、拥有F5H（CYP788A1）并合成S型木质素，其CB5蛋白的helix 5缺乏这种特有的结构模式，导致卷柏CB5不具备CB5D功能；卷柏独立进化的F5H与被子植物F5H 不同，主要从NADPH -CPR直接获取还原力而不依赖CB5D蛋白。为研究CB5基因家族的进化起源关系，作者首先获得了来自于包括拟南芥在内的21个代表性植物的CB5同源基因，这些物种分别来自于藻类，苔藓，石松类，蕨类，裸子植物和被子植物。藻类植物基因组中只含有1个CB5基因，在地钱中有2个，而在被子植物，比如拟南芥、杨树、矮牵牛、高粱和水稻中，一般含有5~7个同源基因，表明CB5基因在进化过程中经历了显著基因扩张。通过对这些基因构建系统进化树，作者发现在没有木质素的苔藓类植物中，已含有与被子植物CB5D基因较为类似的同源基因，而在蕨类和裸子植物中也有相似的现象。这些基因是否也具备CB5D功能不得而知。因此，作者合成了17个来自不同植物类群的CB5基因并采用遗传互补的手段验证这些基因是否具备CB5D功能。出乎意外的是在不同的植物类群中都发现了CB5D功能基因。为了进一步确定CB5D功能基因在进化中出现的时间，作者合成了几个来源于藻类的CB5基因，并发现轮藻门植物的CB5便已具备CB5D功能。然而，在独立进化出S型木质素的卷柏中，其含有的两个CB5 蛋白都不具备CB5D功能。与之相对应，卷柏的F5H采用了与被子植物F5H不同的电子传递链，直接从CPR获取电子。综上所述，本研究从进化角度揭示了CB5D功能产生与S型木质素合成/F5H进化之间的关系。对这种关系的理解不仅可以帮助我们进一步认识木质素合成的机理，而且为基因工程手段调控木质素组成提供了新的手段。论文的通讯作者是刘长军（Chang-Jun Liu）研究员，赵先海（Xianhai Zhao）博士为第一作者，课题组早期成员赵运军（Yunjun Zhao）博士为共同作者，中国林科院曾庆银（Qing-Yin Zeng）研究员为进化分析提供了指导。Zhao, X., Zhao, Y., Zeng, Q.-y., and Liu, C.-J. (2024). Cytochrome b5 diversity in green lineages preceded the evolution of syringyl lignin biosynthesis. The Plant Cell, 2024, koae120, https://doi.org/10.1093/plcell/koae120Zhao X, Zhao Y, Gou M, Liu CJ. Tissue-preferential recruitment of electron transfer chains for cytochrome P450-catalyzed phenolic biosynthesis. Science Advances. 2023, 9, eade4389.Zhao X, Liu CJ. Biocatalytic system for comparatively assessing the functional association of monolignol cytochrome P450 monooxygenases with their redox partners. Methods in Enzymology (Academic Press). 2022; 676:133-158.Gou M, Yang X, Zhao Y, Ran X, Song Y, Liu CJ. Cytochromeb5 Is an Obligate Electron Shuttle Protein for Syringyl Lignin Biosynthesis in Arabidopsis. The Plant Cell. 2019 Jun;31(6):1344-1366.论文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koae120
