东英吉利大学利用Spartina DMSP合成基因提升植物的抗逆能力

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关键词：

来源：

Nature communications

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来源地址：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-51758-z

资源所属：

农业生物技术专题

类型：

学术文献

语种：

英语

原文发布日期：

2024-10-09

摘要：

2024年10月9日，东英吉利大学Rocky D. Payet等人在国际著名期刊Nature communications发表了题为“Elucidation of Spartina dimethylsulfoniopropionate synthesis genes enables engineering of stress tolerant plants”的研究文章。该文在 Spartina anglica 中，鉴定出了一些支持高水平 DMSP 合成的植物基因：蛋氨酸 S-甲基转移酶 （MMT）、S-甲基蛋氨酸脱羧酶 （SDC） 和 DMSP-胺氧化酶 （DOX）。这些酶的同系物在植物中很常见，但表达和催化效率的差异解释了为什么 S. anglica 积累如此高的 DMSP 浓度而其他植物积累的浓度较低。且通过根吸收或过表达 Spartina DMSP 合成基因对 DMSP 的施用可赋予植物对盐碱和干旱的耐受性，为未来可持续作物生产的生物工程提供了一条新的途径。作者首先着手在 Spartina anglica 中鉴定候选 DMSP 合成基因。Spartina 通过蛋氨酸甲基化途径从氨基酸 L-蛋氨酸产生 DMSP，该途径包括四种顺序的酶：蛋氨酸s -甲基转移酶（称为MMT）、s -甲基蛋氨酸（SMM）脱羧酶（称为SDC）、DMSPamine氧化酶（称为DOX）和DMSP-醛脱氢酶（称为ALDH）。通过对一式三份的 S. anglica 叶子的 进行mRNA 测序分析，其中含有 6 μmol g−1FW DMSP 从编码 MMT 蛋白的不同基因座鉴定了两个转录本，即 SaMMT1 和 SaMMT2。SaMMT2在保守的s -腺苷甲硫氨酸结合域含有10个氨基酸插入，显示没有MMT活性，因此其不参与SMM循环或DMSP的产生。且由于醛脱氢酶在其底物范围内是混杂的，因此其将 DMSP 积累到高浓度是不容易的，由此可得MMT 和 ALDH 都不能表示植物中 DMSP 的高水平生产。这使得 Spartina SDC 和 DOX 酶对植物 DMSP 合成具有特异性，并且是确定高水平 DMSP 生产的最佳候选者，特别是因为这两种酶均未在植物中鉴定过。随后，作者通过 RT-qPCR 评估了 SaMMT1、SaCAO1、SaDOX 和 SaSDC 在不同 S. anglica 组织中的表达。最突出的是SaSDC，其在叶片中显著高于任何其他组织类型。此外，叶片中的 SDC 和 DOX 酶活性也最高。由于目前对 DMSP 的合成和积累在自然 Spartina 种群中如何变化，或者是什么调节其中的 DMSP 水平知之甚少。为了解决这个问题，作者测量了在英国诺福克郡 Stiffkey 盐沼的横断面上生长的 S. anglica丛生的叶样本中的 DMSP 浓度。其采样策略针对单个盐沼中的自然种群，这代表了相对有限的遗传多样性（因为 S. anglica 主要经历无性繁殖，而该物种由大约 200 年前的杂交事件形成，导致遗传瓶颈），从而使其能够专注于揭示控制 DMSP 积累的环境因素。出乎意料的是，DMSP 积累变化很大，差异高达 14 倍。对三个最低和三个最高的 DMSP 积累团块进行 RNA-seq 和差异表达分析， 显示最高的 DMSP 积累植物具有乙烯反应性转录因子同源物强烈升高表达。这种上调表明，这些 DMSP 积累最高的植物正在经历其中一种胁迫。对差异表达基因的基因本体进行富集分析，发现其与氧化应激和活性氧、盐和渗透应激、细胞解毒以及脯氨酸代谢相关的生物过程术语也大量富集，这与 DMSP 合成受胁迫调节的假设一致。为了证实这种与脯氨酸代谢的联系，作者测量了 S. anglica 叶组织中的脯氨酸、谷氨酸和鸟氨酸浓度，并结合其他氨基酸的选择，以将 DMSP 积累置于初级代谢中的背景中。并为了测试 DMSP 积累如何受盐或硫状态的调节，作者用淡水、盐溶液 （NaCl） 或海盐（含有 NaCl 和高浓度硫酸盐）浇灌的温室种植的 S. anglica 植物进行了实验。数据表明 DMSP 在环境中的 S. anglica 种群中动态积累。积累水平取决于氮的可用性，最高和最低 DMSP 积累剂的对比转录谱表明其与非生物胁迫有关，支持 DMSP 作为抗应激分子的作用。DMSP 积累因硫酸盐浓度升高而增加，但盐浓度不升高。为了确定植物中 DMSP 产生的广度，测量了植物界的系统发育和环境多样性物种的 DMSP 浓度。43 种测试植物物种中都产生了 DMSP，尽管大多数水平分别比 Saccharum officinarum 或 Spartina anglica 低 2 或 4 个数量级。但在此过程中，没有发现新的高水平 DMSP 积累植物，因此这种性状应被认为是罕见的。为了确定植物如何积累不同浓度的 DMSP，作者评估了来自不同物种的 Spartina DMSP 合成酶同系物的流行率和活性。系统发育分析显示植物 MMT 多样性遵循分类学，来自高积累物种的 MMT 与来自低生产者的 MMT 没有区别。而高水平的 SDC 活性先前已被证明在植物中很少见。在大多数高等植物中也发现了与 SaSDC 同源的蛋白质（50-84% 氨基酸同一性），通过序列分析并没有突出 SaSDC 和那些缺乏 SDC 活性的 ODC 酶之间的任何实质性氨基酸插入或缺失。事实上，来自 S. officinarum 和 Setaria viridis 的 SaDOX 同源物具有与 S. anglica DOX 相当的 DOX 活性，而 Solanum lycopersicum 的活性较低 （30%），这意味着具有 DOX 活性的酶本身并不是高水平 DMSP 积累的决定因素。随后，作者分析了来自 S. anglica、S. patens、Solanum lycopersicum、Nicotiana benthamiana、A. thaliana 和 H. vulgare 的蛋白质提取物的 DOX 活性，数据表明 DOX 在植物中很常见，并且来自高产 S. anglica 和其他低产物种的 DOX 之间几乎没有酶学差异。然而，在 S. anglica 中，DOX 的表达要高得多，因此 DOX 活性总体上要高得多。作者为了确定 DMSP 在植物中的作用，以番茄为模型，在DMSP 存在与否的情况下对植物进行盐胁迫。DMSP 被根吸收并运输到气生组织中，导致 DMSP 在叶子中的积累比未处理的植物高 4-6 倍。引人注目的是，添加 DMSP 提高了总生物量，证明了这种化合物在植物中的保护作用。为了进一步剖析 DMSP 在植物中起作用的机制，作者在对盐和DMSP 同时存在下生长的植物进行了 RNA-seq，数据表明 DMSP 可以改善盐胁迫，并且可能通过抵消渗透胁迫和氧化胁迫来改善番茄中的盐胁迫。这与其在 S. anglica RNA-seq 一致，表明 DMSP 可能在物种之间以保守的方式发挥作用。最后，作者着手证明 DMSP 合成是一种可以在植物中设计的性状。SaMMT1、SaSDC 和 SaDOX 在本氏烟草中单独和联合的瞬时表达表明，需要所有三个基因的过表达才能显著提高 DMSP 浓度。重要的是，这些瞬时转化的植物具有较高的 DMSP 积累，表现出明显的相对于对照植物的抗旱性。总体而言，这些数据表明，在低 DMSP 积累物种中，可以通过根部摄取 DMSP 或通过过表达 S. anglica 的 MMT、SDC 和 DOX 来控制 DMSP 水平，并且这样做可以提高对盐胁迫和干旱的耐受性。