发现植物防御类固醇生物合成的关键蛋白质可以增强害虫防治策略

马克斯普朗克化学生态研究所的研究人员已经确定 GAME15 是一种关键蛋白质，它可以调节茄属植物中甾体糖苷和甾体皂苷的生物合成。

发表在《科学》杂志上的一项研究表明，这种蛋白质对于胆固醇前体形成这些天然产物至关重要。 茄科植物(Solanum nigrum不再能够产生这种蛋白质，因此甾体皂苷更容易受到叶蝉和科罗拉多马铃薯甲虫等昆虫的侵害。

这些结果为生产用于医疗的高质量类固醇分子开辟了新的视角，并可以支持控制农业害虫的针对性策略。

茄科植物(如土豆、西红柿和茄子中特定甾体化合物的生物合成途径始于胆固醇。多项研究调查了甾体糖苷生物碱形成过程中涉及的酶。

尽管负责产生类固醇专化代谢物支架的基因是已知的，但尚未在其他植物中成功重构这些化合物。

由美国密苏里大学助理教授 Prashant Sonawane 领导的天然产物生物合成系“植物中专门的类固醇代谢”项目小组致力于寻找这一难题中缺失的一块。

“通过我们的研究项目，我们特别想弄清楚生物合成途径中哪些重要成分迄今为止仍未被研究，以及该基因或蛋白质在该途径中起什么作用。我们还想找出在确定缺失成分后是否可以重建生物合成途径。我们研究的一个重要方面也是更多地了解甾体皂苷在植物中的生态作用，”Prashant Sonawane 在描述研究问题时说。

GAME15——茄属植物类固醇分子生物合成中未知但至关重要的参与者

研究小组使用野生植物龙葵(黑茄属植物进行研究，因为它在不同的组织中产生不同的类固醇化合物，这些化合物都来自相同的前体 - 胆固醇。

在叶子中，最重要的甾体代谢物是一种名为 uttroside B 的皂苷，而在浆果中，最重要的化合物是甾体糖苷生物碱，例如 α-茄碱、α-茄精和丙二酰-茄精。酶 GAME6、GAME8 和 GAME11 参与了这两种化合物的形成，并且存在于叶子和浆果中。

研究人员利用共聚焦显微镜确定了这些酶在细胞中的位置。通过生化和分子生物学分析，研究人员确定了一种名为 GAME15 的蛋白质的基因。

GAME15虽然属于纤维素合成酶样蛋白家族，但在纤维素生产中没有任何作用，虽然不像其他酶那样具有催化功能，但对甾体化合物的生物合成却十分重要。

Marianna Boccia 在温室中检查龙葵植物。这种野生植物与马铃薯和番茄有亲缘关系，在不同的组织中产生不同的甾体分子。甾体皂苷在叶子中形成，而糖苷生物碱则在浆果中产生。GAME15 蛋白与参与生物合成的其他酶相互作用，产生甾体皂苷和甾体糖苷生物碱。图片来源：Anna Schroll

“我们的蛋白质相互作用实验表明，GAME15 与酶 GAME6、GAME8 和 GAME11 相互作用。这些酶负责胆固醇羟基化的第一步，从而形成呋甾烷醇-糖苷配基(16,22,26-三羟基胆固醇，这是甾体皂苷和糖苷生物碱合成之间的关键分支点。

“利用 GAME15 基因被敲除的龙葵植物，我们能够证明这些植物不再能够产生甾体糖苷生物碱和皂苷，”该研究的主要发现之一、第一作者玛丽安娜·博西亚 (Marianna Boccia 解释道。

茄属植物中的甾体化合物具有巨大的医疗应用潜力

甾体皂苷和甾体糖苷生物碱是具有良好医疗应用前景的化合物。例如，最近的研究表明，某些皂苷对治疗肝癌非常有效。甾体糖苷生物碱还具有抗癌特性以及抗菌和抗炎作用。

Prashant Sonawane 表示：“通过识别 GAME15，我们能够重建异源宿主(如本氏烟中甾体化合物的代谢途径，直至甾体皂苷的前体呋甾烷醇和甾体糖苷生物碱的直接前体茄索定。”

在本氏烟等植物中重构具有医学意义的化合物也被称为“药物加工”，它是“药剂学”和“农业”的混合词。

制药涉及使用具有综合生物合成途径的转基因植物来生产药物化合物，从而以低成本大规模生产药物。因此，这项研究的结果为改进重要的类固醇化合物的生产开辟了可能性。

皂苷在防御食草动物中发挥生态作用的首个证据

甾体糖苷生物碱是已知的重要植物防御物质。它们是茄科植物特有的有毒化合物，也存在于马铃薯、西红柿和茄子中。然而，通过剥皮、烹饪或煎炸，可以显著降低作物中甾体的毒性。

在番茄中，糖苷生物碱在成熟过程中被分解，因此在红色果实中几乎检测不到它们。然而，甾体皂苷在龙葵叶中的生态作用迄今为止尚不清楚。

温室团队提供了一条重要线索，他们发现无法产生皂苷的 GAME15 基因敲除植物比野生型植物更容易受到食草昆虫的侵害。研究人员对这一观察结果很感兴趣，他们以喂养两种天然茄属害虫的形式进行了生态实验。

“在第一个实验中，两种食草动物，叶蝉 Empoasca decipiens 和科罗拉多马铃薯甲虫 Leptinotarsa decemlineata，被要求在野生型植物的叶子(产生类固醇皂苷和 Game15 基因敲除植物的叶子(由于 GAME15 基因被敲除，不会产生皂苷之间进行选择，”Marianna Boccia 说。

“一周后，我们测量了昆虫造成的损害。结果清楚地表明，这两种食草动物几乎只以被击倒的叶子为食，显示出对它们比野生型叶子的偏好。在第二个实验中，我们使用了“强制喂食”生物测定法，特别是针对科罗拉多马铃薯甲虫。

“在这次测试中，我们将单个甲虫与野生型或敲除植物的叶片放在一起。仅仅六个小时后，甲虫就很容易以缺乏甾体皂苷的敲除叶片为食，而它们则在很大程度上避开野生型叶片，显然宁愿挨饿也不愿进食，”Boccia 补充道，这是甾体皂苷在植物防御中发挥作用的第一个证据。

叶子和浆果中存在不同化合物组的一个可能解释是，这些化合物专门用于保护不同的植物组织。叶子更容易受到食草动物的攻击，而浆果更容易受到病原体的侵害。

“我们的发现强调了茄科植物如何将纤维素合酶样蛋白质从核心代谢作用(如纤维素生物合成转变为结构作用，这对于植物防御病原体的化合物的生物合成必不可少，”天然产物生物合成系主任兼研究资深作者 Sarah O'Connor 说。

“这一发现为培育具有更高抗虫害能力的农作物以及生产用于对抗癌症和其他疾病的重要类固醇化合物开辟了新的机遇。”