Functional characterization of a new terpene synthase from Plectranthus amboinicus
- 作者
- Nur Suhanawati Ashaari, Mohd Hairul Ab. Rahim, Suriana Sabri, Kok Song Lai, Adelene Ai-Lian Song, Raha Abdul Rahim, Wan Muhamad Asrul Nizam Wan Abdullah, Janna Ong Abdullah
- 单位
- Department of Cell and Molecular Biology, Faculty of Biotechnology and Biomolecular Sciences, Universiti Putra Malaysia, Selangor, Malaysia; Department of Microbiology, Faculty of Biotechnology and Biomolecular Sciences, Universiti Putra Malaysia, Selangor, Malaysia; Health Sciences Division, Abu Dhabi Women's College, Higher Colleges of Technology, Abu Dhabi, United Arab of Emirates
- 杂志
- PLoS ONE（2020）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0235416
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
P. amboinicus 中负责单萜和倍半萜合成的萜烯合酶基因尚未被鉴定和功能表征，限制了对其萜类生物合成机制的了解和代谢工程应用。
研究策略
基于转录组数据筛选候选萜烯合酶基因，利用 RACE 技术克隆全长 cDNA；在大肠杆菌中异源表达重组蛋白，通过体外酶活测定和体内表达分析鉴定产物；结合 GC-MS 和 qRT-PCR 分析不同组织及昼夜节律下的基因表达与挥发物释放规律。
核心内容
研究者从唇形科植物印度甘牛至（Plectranthus amboinicus）的转录组中筛选并克隆了一个新的萜烯合酶基因PamTps1，该基因开放阅读框长1797 bp，编码598个氨基酸，推测蛋白分子量为69.6 kDa。将PamTps1在大肠杆菌中异源表达后，体外酶活实验证明该酶能以GPP为底物专一合成芳樟醇（linalool），以FPP为底物专一合成橙花叔醇（nerolidol），因此被归类为芳樟醇/橙花叔醇合酶。重组大肠杆菌体内检测也确认了这两种产物的生成。组织表达分析显示该基因在叶片中的表达量比茎中高42倍，且具有明显的昼夜节律，下午2点表达量最高；挥发物释放亦呈现节律性，芳樟醇释放量在早8点达到峰值，而橙花叔醇在凌晨2点最高。叶片挥发物主要成分包括α-蛇麻烯（19.5%）、香芹酚（19.6%）、石竹烯（19.2%）等。该研究首次功能表征了P. amboinicus中的多底物萜烯合酶，为利用代谢工程在微生物中生产芳樟醇和橙花叔醇提供了候选基因。
创新点
首次从 P. amboinicus 中克隆并功能表征了一个多底物萜烯合酶 PamTps1，证明其同时具有单萜合酶和倍半萜合酶活性；揭示了该酶表达和产物释放的昼夜节律规律。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli Rosetta 2 (DE3) | 萜类生物合成 | PamTps1 | PamTps1 (linalool/nerolidol synthase) | 催化 | 异源表达重组蛋白，体内产生 linalool 和 nerolidol |
| Plectranthus amboinicus | 萜类生物合成 | PamTps1 | PamTps1 (linalool/nerolidol synthase) | 催化 | 主要在叶片中表达，受昼夜节律调控，参与 linalool 和 nerolidol 释放 |
关键发现
- PamTps1 基因开放阅读框长 1797 bp，编码 598 个氨基酸，预测蛋白分子量
- 6 kDa，含 52 个氨基酸的 N 端叶绿体转运肽；氨基酸序列与唇形科其他萜烯合酶有 60–70% 相似性。体外酶活实验表明 PamTps1 能将 GPP 专一转化为 linalool，将 FPP 专一转化为 nerolidol，因此归类为 linalool/nerolidol synthase。重组大肠杆菌体内也产生 linalool 和 nerolidol，验证了其多底物活性。叶片中 PamTps1 表达量比茎高 42 倍，且在下午（2:00 PM）表达最高；linalool 释放量在白天最高（8:00 AM 达到峰值），夜间降低，而 nerolidol 释放量在凌晨 2:00 AM 最高。P. amboinicus 叶片挥发物中主要成分包括 α-bergamotene (19.5%)、carvacrol (19.6%)、caryophyllene (19.2%)、γ-terpinene (10.5%)、p-cymene (8.2%) 和 humulene (5.6%)，linalool 占
- 163%，nerolidol 占
- 033%。
研究结论
本研究首次从 P. amboinicus 中分离并功能表征了一个多底物萜烯合酶 PamTps1，它能够分别利用 GPP 和 FPP 合成 linalool 和 nerolidol，该酶的表达随昼夜节律变化，主要存在于叶片。这为利用代谢工程在微生物或植物系统中生产这些有价值的萜类化合物提供了分子基础和候选基因。