责编 | 酶美
独脚金内酯（Strigolactone）是一类由β-胡萝卜素衍生而来的小分子化合物，广泛存在于各种植物中，被誉为第七类植物激素。目前报道的天然独脚金内酯已有三十多种【1】。 该类化合物及其人工合成类似物在农业生产中潜力巨大：在促进植物与真菌共生营养吸收、合成新型除草剂、增加珍贵寄生植物萌发效率、调控作物分蘖等多个方面具有重要的应用前景。独脚金内酯作为根际信号分子，从植物根系分泌到周围土壤环境中，从而诱导丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）分支，促进植物与真菌的共生【2】。因此独脚金内酯可以用于调节植物/丛枝菌根真菌共生关系来提高植物营养吸收效率【3】。同时，独脚金内酯也可用作根寄生杂草种子萌发剂，有潜力开发成一类新型的除草剂【4】。独脚金内酯还参与调控植物分枝、叶片生长和衰老、促进侧根形成和主根的生长等，在植物生长和发育过程中起着重要的作用【5】。
独脚金内酯的化学特征结构是丁烯酸内酯环与三环内酯通过烯醇醚键连接。该类结构在亲核试剂的存在下很容易发生裂解。由于独脚金内酯复杂的立体化学结构，化学全合成此类天然化合物充满挑战（比如通常需要二十步以上的合成步骤、产率较低不能达到克级规模、手性拆分困难、催化过程环境不友好等）【3】。同时，此类天然化合物在植物体内含量极低（例如每株红三叶植物只含有70皮克的orobanchol）【6】，因此无法使用植物提取的方式进行规模化制备。独脚金内酯的生物学效应研究绝大多数使用人工化学合成的类似物 (±)-GR24实现，但GR24的生物活性要比天然的独脚金内酯低很多【7】。因此如何合成具有特定立体异构的天然独脚金内酯成为了制约独脚金内酯研究和相关产品研发的重要因素，亟需一个能精准便捷合成各种天然独脚金内酯的生物合成平台, 加速其相关的基础研究，进而实现其在农业上的广泛应用。
2021年9月20日，加州大学河滨分校李嫣然团队和新加坡国立大学周康团队在Science Advances杂志上发表了题为Establishment of strigolactone-producing bacterium-yeast consortium（建立产独脚金内酯的细菌-酵母混菌体系）的研究论文，整合运用生物信息学，合成生物学及代谢工程等手段，建立了利用大肠杆菌-酿酒酵母混菌体系来生产多种天然独脚金内酯的微生物合成平台：以木糖为原料合成了包括独脚金内酯前体物质carlactone，carlactonoic acid及三种重要独脚金内酯产物5-deoxystrigol（5DS; 6.65 ± 1.71 微克/升）， 4-deoxyorobanchol（3.46 ± 0.28 微克/升）和orobanchol（OB; 19.36 ± 5.20 微克/升）。此平台不仅能用来快速鉴定参与独脚金内酯生物合成途径的基因（2周之内），还能定量比较相关酶的体内催化活性。通过代谢工程克服限速步骤以及发酵过程优化，5DS的产量提高到了47.3 微克/升。这项工作为研究独脚金内酯的生物合成和进化研究提供了一个独特的平台，并为进一步开发微生物合成独脚金内酯奠定了基础。
此前，独脚金内酯在植物中的部分生物合成途径已得到了解析。首先，含有铁硫簇的β-胡萝卜素异构酶（D27）催化全-反式-β-胡萝卜素（all-trans--carotene, ATC）异构化成9-顺式-β-胡萝卜素（9-cis--carotene，9CC），接着在类胡萝卜素裂解双加氧酶7和8（carotenoid cleavage dioxygenases，CCD7 and 8）的依次作用下，经历了双键的断裂和氧化重排生成关键的前体carlactone（CL）。接着CL从植物叶绿体（质体）转运至细胞质中，进一步被附着在内质网的细胞色素P450酶（MAX1，CYP722C等）氧化修饰成多种独脚金内酯【8】。考虑到酿酒酵母在表达植物P450酶的优越性，作者首先尝试在酿酒酵母中重构酶的生物合成途径，但是参与该合成途径的基因比较复杂，其中含有铁硫簇的蛋白鲜见报道能在酿酒酵母中功能表达。作者经过多次尝试还是不能在酵母中检测到D27和CCD7的活性。根据前期的生化研究，D27、CCD7 和 CCD8在大肠杆菌中表达能获得有活性的蛋白【9】。于是作者利用合成生物学手段重新对独脚金内酯的微生物合成路径进行了模块化的混合菌落设计，模仿独脚金内酯在植物中的合成路径分布，将独脚金内酯的生物合成路径分为CL合成及CL后修饰两个途径模块。作者把涉及到CL合成的基因 （D27、CCD7和CCD8）导入大肠杆菌中异源表达，而把负责后修饰的P450s基因导入酿酒酵母中表达，再通过两种工程菌模块化共培养模式，来实现利用普通碳源的微生物独脚金内酯全合成（图1）。
图1: 工程化大肠杆菌-酿酒酵母共培养体系模拟植物中独脚金内酯合成，实现独脚金内酯异源微生物合成重构、进化解析和途径合成优化。
综上，利用模仿天然植物独脚金内酯生物合成策略，作者成功地利用人工设计的大肠杆菌-酿酒酵母混菌体系实现了独脚金内酯的微生物全合成（合成包括独脚金内酯前体CL，CLA及三种典型的独角金内酯4DO， 5DS 和 OB）。此平台已证实可以方便快捷地实现独脚金内酯生物合成酶功能的定量鉴定，为接下来扩大独脚金内酯生物合成基因/酶元件库，阐明独脚金内酯生物合成的进化起源和微生物合成结构复杂的典型或非典型的天然独脚金内酯铺平了道路。
吴晟博士（加州大学河滨分校博士后）和马晓强博士（原新加坡-麻省理工学院学术联盟及新加坡国立大学博士后，已加入上海交通大学农业与生物学院任长聘教轨副教授）为论文共同第一作者，李嫣然教授和周康教授为论文共同通讯作者。
参考文献
1. E. B. Aliche, et al., Science and application of strigolactones.New Phytol.227, 1001–1011 (2020).
2. K. Akiyama, K. Matsuzaki, H. Hayashi, Plant sesquiterpenes induce hyphal branching in arbuscular mycorrhizal fungi.Nature435, 824–827 (2005).
3. R. J. Chesterfield, C. E. Vickers, C. A. Beveridge, Translation of strigolactones from plant hormone to agriculture: Achievements, future perspectives, and challenges.Trends Plant Sci.25, 1087–1106 (2020).
4. C. E. Cook, et al., Germination of witchweed (Striga lutea Lour.): Isolation and properties of a potent stimulant.Science154, 1189–1190 (1966).
5. S. Al-Babili, H. J. Bouwmeester, Strigolactones, a novel carotenoid-derived plant hormone.Annu. Rev. Plant Biol.66, 161–186 (2015).
6. D. Sato, et al., Analysis of strigolactones, germination stimulants for Striga and Orobanche, by high-performance liquid chromatography/tandem mass spectrometry.J. Agric. Food Chem. 51, 1162–1168 (2003).
7. K. Akiyama, S. Ogasawara, S. Ito, H. Hayashi, Structural requirements of strigolactones for hyphal branching in AM fungi.Plant Cell Physiol.51, 1104–1117 (2010).
8. K. Mashiguchi, Y. Seto, S. Yamaguchi, Strigolactone biosynthesis, transport and perception.Plant J.105, 335–350 (2021).
9. A. Alder, et al., The path from -carotene to carlactone, a strigolactone-like plant hormone.Science335, 1348–1351 (2012).
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