A Higher Plant Δ8 Sphingolipid Desaturase with a Preference for (Z)-Isomer Formation Confers Aluminum Tolerance to Yeast and Plants
- 作者
- Peter R. Ryan, Qing Liu, Petra Sperling, Bei Dong, Stefan Franke, Emmanuel Delhaize
- 单位
- Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, Plant Industry, Canberra, Australian Capital Territory 2601, Australia; Biozentrum Klein Flottbek und Botanischer Garten, Universität Hamburg, D-20246 Hamburg, Germany; Institut für Organische Chemie, Universität Hamburg, D-20246 Hamburg, Germany
- 杂志
- Plant Physiology（2007）
- DOI
- 10.1104/pp.107.100446
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
酸性土壤中铝离子毒害植物，需要鉴定能够提高植物铝耐受性的新基因。
研究策略
通过酵母表达系统筛选植物cDNA文库，获得赋予酵母铝耐受性的cDNA；再转入拟南芥验证表型；通过脂质分析和与已知去饱和酶的比较，确定基因编码的酶功能。
核心内容
该研究通过酵母表达系统从大豆根瘤、Stylosanthes hamata根和白羽扇豆簇根的cDNA文库中筛选出9个能赋予酵母铝耐受性的cDNA，其中来自S. hamata的S851基因在拟南芥中过表达可使相对根生长提高20%至100%。序列与功能分析表明，S851编码一种Δ8鞘脂去饱和酶，与Δ6脂肪酸去饱和酶及已知Δ8鞘脂去饱和酶均有约70%的相似性。在酵母中表达S851后，积累8(Z/E)-C18和8(Z/E)-C20植物鞘氨醇，其中8(Z)与8(E)异构体比例约为4:1；在拟南芥中表达则将该比例从野生型的约1:4逆转为1:1。对照实验显示，表达Δ6脂肪酸去饱和酶不赋予酵母铝耐受性，而表达拟南芥内源Δ8鞘脂去饱和酶可以。结果表明，S851是首个被发现优先合成8(Z)-异构体的高等植物Δ8鞘脂去饱和酶，其通过改变膜鞘脂组成增强铝耐受性，揭示了鞘脂在植物铝胁迫响应中的关键作用。
创新点
首次鉴定了高等植物中优先形成8(Z)-异构体的Δ8鞘脂去饱和酶，并证明改变鞘脂组成可以增强植物对铝胁迫的耐受性。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae (酿酒酵母) | 鞘脂生物合成 | S851 (来自Stylosanthes hamata) | Δ8鞘脂去饱和酶 (S851蛋白) | 催化 | 表达该基因使酵母产生8(Z/E)-C18和C20-植物鞘氨醇，8(Z):8(E)约为4:1，并增强铝和钆的耐受性 |
| Arabidopsis thaliana (拟南芥) | 鞘脂生物合成 | S851 (来自Stylosanthes hamata) | Δ8鞘脂去饱和酶 (S851蛋白) | 催化 | 转基因拟南芥中8(Z):8(E)由野生型的约1:4变为1:1，相对根生长提高20%-100% |
| Saccharomyces cerevisiae (酿酒酵母) | Δ6脂肪酸去饱和途径 | 来自Echium plantagineum的Δ6脂肪酸去饱和酶 (GenBank AY952780) | Δ6脂肪酸酰基脂质去饱和酶 | 催化 | 不赋予酵母铝耐受性；在补充亚油酸时产生γ-亚麻酸（占1%总脂肪酸） |
| Saccharomyces cerevisiae (酿酒酵母) | 鞘脂生物合成 | 来自拟南芥的Δ8鞘脂去饱和酶 (At3g61580, GenBank AF001394) | Δ8鞘脂去饱和酶 | 催化 | 赋予酵母铝耐受性，证实Δ8去饱和酶的作用 |
| Arabidopsis thaliana (拟南芥) | 鞘脂生物合成 | At3g61580 (内源) | Δ8鞘脂去饱和酶 | 催化 | 野生型内源酶优先形成8(E)-异构体，8(Z):8(E)约为0.25 |
关键发现
- 从大豆根瘤、Stylosanthes hamata根和白羽扇豆簇根的cDNA文库中筛选出9个能增强酵母铝耐受性的cDNA
- 其中S851 cDNA在拟南芥中使相对根生长提高20%-100%
- S851编码的蛋白与Δ6脂肪酸去饱和酶和Δ8鞘脂去饱和酶均有70%相似性
- 功能分析表明S851编码Δ8鞘脂去饱和酶，在表达S851的酵母中积累8(Z/E)-C18-植物鞘氨醇和8(Z/E)-C20-植物鞘氨醇，其中8(Z/E)-C18-植物鞘氨醇占总鞘氨醇碱的3 mol%，8(Z):8(E)比例约为4:1
- 在拟南芥中表达S851使8(Z):8(E)比例从野生型的约1:4（0.25）变为1:1（1.0）
- 表达已知的Δ6脂肪酸去饱和酶不赋予酵母铝耐受性，而表达拟南芥Δ8鞘脂去饱和酶可赋予酵母铝耐受性。
研究结论
S851编码一种Δ8(E/Z)-鞘脂去饱和酶，优先合成8(Z)-异构体，在酵母和拟南芥中表达可通过改变膜鞘脂组成提高铝耐受性，表明鞘脂在植物铝胁迫响应中具有重要作用。