Characterization of cis-polyisoprene produced in Periploca sepium, a novel promising alternative source of natural rubber
- 作者
- Jingjiao Yong, Guodong Lu, Yingrui An, Sirui Lang, Hong Zhang, Ren Chen
- 杂志
- Communications Biology（2025）
- DOI
- 10.1038/s42003-025-07734-4
- 所属领域
- 合成生物学
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解决的核心问题
开发新的天然橡胶替代植物来源，解决因巴西橡胶树种植区域受限导致的天然橡胶供应不足问题。
研究策略
选取多种产乳胶植物进行聚异戊二烯提取和鉴定，以杠柳为对象，通过NMR确定结构，SCLSM观察分布，BiFC检测蛋白互作，CRISPR-Cas9基因编辑评估功能。
核心内容
该研究系统表征了杠柳（Periploca sepium）中顺式聚异戊二烯的结构与生物合成机制，旨在探索其作为巴西橡胶树之外的新型天然橡胶替代来源。通过核磁共振鉴定，杠柳聚异戊二烯主链为cis-1,4结构，含ω-末端反式异戊二烯单元和少量3,4-异戊二烯侧基，分子量分布跨越10⁴至10⁶，其中高分子量峰占50.33%。含量测定显示杠柳总聚异戊二烯达1.12%（w/w），显著高于罗布麻和鹅绒藤的0.51%和0.21%。激光共聚焦显微镜和双分子荧光互补实验证实PsCPT、PsSRPP与PsREF蛋白在乳胶中与聚异戊二烯位置重叠且两两互作。利用CRISPR-Cas9分别编辑三个基因后，转基因植株的聚异戊二烯总含量及高分子量峰面积显著下降，例如PsCPT-06株系中高分子量峰面积从野生型的46.35%降至5.96%。这证明PsCPT、PsSRPP和PsREF是杠柳橡胶生物合成的关键因子，也表明杠柳具备成为天然橡胶替代植物的潜力，为缓解供应压力提供了新途径。
创新点
首次系统表征杠柳中的顺式聚异戊二烯，证明其高分子量分布和cis-1,4结构；利用CRISPR-Cas9验证PsCPT、PsSRPP和PsREF在橡胶生物合成中的关键作用。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Periploca sepium (杠柳) | 天然橡胶生物合成 | PsCPT | cis-prenyltransferase (CPT) | 催化 | 催化IPP进行顺式-1,4-聚合，负责橡胶链延伸 |
| Periploca sepium (杠柳) | 天然橡胶生物合成 | PsSRPP | small rubber particle protein (SRPP) | 调控 | 小橡胶颗粒蛋白，参与调控橡胶链延伸 |
| Periploca sepium (杠柳) | 天然橡胶生物合成 | PsREF | rubber elongation factor (REF) | 调控 | 橡胶延伸因子，参与调控橡胶链延伸 |
关键发现
- 杠柳聚异戊二烯总含量为1.12%（w/w），而罗布麻和鹅绒藤分别为0.51%和0.21%（p<0.01）
- 杠柳聚异戊二烯分子量分布为10^4-10^6，高分子量峰占峰面积50.33%，Mn=4.24×10^4，Mw=3.89×10^5，Mw/Mn=9.17
- NMR鉴定主链为cis-1,4-聚异戊二烯，含有ω-末端反式异戊二烯单元和2-3个反式单元，α-末端连接磷脂，并含有约3.6%的3,4-异戊二烯侧基
- PsCPT、PsSRPP和PsREF的分布与聚异戊二烯几乎完全重叠
- BiFC显示PsCPT与PsSRPP、PsSRPP与PsREF、PsCPT与PsREF之间存在互作
- CRISPR-Cas9基因编辑后，转基因植株总聚异戊二烯含量和高分子量峰面积均下降，如PsCPT-06的高分子量峰面积从野生型的46.35%降至5.96%，PsSRPP-34降至5.97%，PsREF-18降至5.81%。
研究结论
杠柳是一种有前景的天然橡胶替代来源，PsCPT、PsSRPP和PsREF在天然橡胶生物合成中发挥重要作用，编辑这些基因可显著影响橡胶含量和分子量。