PNAS | 植物中维生素E生物合成途径的一个关键水解酶被鉴定到

责编 | 王一

撰文 | SHR

生育酚，又称维生素E，是植物质体合成的一类脂溶性抗氧化剂，对人体免疫及心血管疾病等具有积极作用。生育酚的生物合成途径已基本阐明，其中衍生自尿黑酸（HGA）的（极性）色原烷醇头基及衍生自植基二磷酸（PDP）的亲脂性侧链是生育酚的关键组成成分【1】。研究表明，HGA 和 PDP 通过尿黑酸叶绿基转移酶VTE2 缩合为MPBQ（2-methyl-6-phytyl-1,4-benzoquinol），并通过两种甲基转移酶（VTE3、VTE4）和生育酚环化酶（VTE1）以不同的顺序和组合作用以产生 δ-、β-、γ- 和 α-生育酚【2】。在该过程中，香叶基香叶基还原酶（GGR）通过两种潜在路径催化合成PDP：1）直接将香叶基-香叶基二磷酸（GGDP）还原为PDP；2）间接将香叶基-香叶基叶绿素还原为 (植基)-叶绿素，然后通过 VTE5 和 VTE6 激酶将其水解和顺序磷酸化为 PDP【3，4】。有趣的是，vte5突变体及vte5vte6 双突变变体中生育酚含量显著降低，表明VTE5/VTE6途径是为生育酚合成提供PDP底物的主要途径【4】。因此，在该过程中催化从叶绿素中释放植物醇的酶是生育酚合成的关键所在，但目前尚未被成功鉴定。

近日，来自美国Michigan State University 的研究团队在PNAS在线发表了一篇题为Genome-wide association identifies a missing hydrolase for tocopherol synthesis in plants的研究论文，该研究基于全基因组关联分析鉴定了该关键α/β水解酶VET7，并解析了VET7在生育酚生物合成中的重要作用。

该研究首先评估了814 种不同拟南芥种质中种子生育酚含量和组成的自然变异，并基于SNP和混合线性模型对四种生育酚进行了全基因组关联分析，结果鉴定到与α-生育酚、γ-生育酚 或 总-生育酚相关的 7 个基因组区域，其中3个包括包含先验的生育酚合成相关基因VTE4、VTE5和TAT2，而其他4个基因组区域则代表先前并未被鉴定的与种子生育酚相关的基因位点。进一步分析结果显示，与γ-生育酚 或 总-生育酚相关的最大全基因组关联信号映射到5号染色体的AT5G39220基因，其编码一个先前未被表征的在的 α/β水解酶ABH（命名为VTE7）。

进一步验证结果显示，VTE7定位于叶绿体膜（生育酚合成场所），并且Atvte7突变使拟南芥种子总生育酚含量降低 55%（但对叶片无显著影响），而玉米同源基因ZmVTE7的突变则导致籽粒和叶片总量分别减少 38% 和 49%，表明ZmVTE7也有助于玉米叶片中生育酚的合成。此外，过表达AtVTE7或ZmVTE7可以部分或完全的恢复种子中的生育酚含量，并使拟南芥和玉米叶片种的总生育酚含量分别提高约3.6 倍和 6.9 倍。研究人员还发现，VTE2和VTE7共表达在叶片中具有叠加效应（可使叶片中的总生育酚量提高40倍以上），但是对种子种的生育酚含量并无叠加效应。

VTE7具有酯酶特性，并从叶绿素中释放出植物醇用于生育酚合成。然而，主要叶绿素（叶绿素 a / b、脱镁叶绿素 a / b）水平并不受VTE7缺失或过表达的影响。相比之下，含有部分减少的侧链的特定叶绿素生物合成中间体（含有原叶绿素还原酶、叶绿素合酶、GGR 和类光捕获蛋白的膜相关生物合成复合体产生）的水平受到影响，并且这些中间体的水平与总生育酚含量密切相关。

Model for the role of VTE7 in connecting chlorophyll biosynthesiswith tocopherol synthesis

综上，该研究基于基因组关联分析鉴定了在生育酚生物合成中的关键α/β水解酶ABH，并阐明了该酶的功能及介导生育酚合成的代谢机制。研究结果完善了生育酚生物合成途径，有助于培育和改造植物以进行维生素 E 生物强化和增强抗逆能力。

参考文献

【1】Galliet al., Vitamin E: Emerging aspects and new directions.Free Radic. Biol. Med.102,16–36(2017)

【2】Fritsche, X. Wang, C. Jung, Recent advances in our understanding of tocopherol biosynthesis inplants: An overview of key genes, functions, and breeding of vitamin E improved crops.Antioxidants6, 99 (2017).

【3】Keller, F. Bouvier, A. d’Harlingue, B. Camara, Metabolic compartmentation of plastid prenyllipidbiosynthesis—Evidence for the involvement of a multifunctional geranylgeranyl reductase.Eur. J. Biochem.251, 413–417 (1998)

【4】Vom Dorpet al., Remobilization of phytol from chlorophyll degradation is essential fortocopherol synthesis and growth ofArabidopsis.Plant Cell27, 2846–2859 (2015)

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2113488119