Science：新研究发现植物防御甾体生物合成的关键蛋白，有望开发出更好的害虫防治策略

在一项新的研究中，来自马克斯-普朗克化学生态研究所的研究人员发现，GAME15 是一种调节茄属植物（Solanum）中甾体糖苷生物碱（steroidal glycoalkaloids）和甾体皂甙生物合成的关键蛋白。这种蛋白对于从胆固醇前体形成这些天然产物至关重要。不能再产生这种蛋白和甾体皂甙的茄属植物龙葵（Solanum nigrum）更容易受到叶蝉和科罗拉多马铃薯甲虫等昆虫的侵害。

相关研究结果发表在2024年10月18日的Science期刊上，论文标题为“A scaffold protein manages the biosynthesis of steroidal defense metabolites in plants”。这些研究结果为生产高质量的甾体分子用于医疗应用开辟了新的前景，并有潜力支持有针对性的农业害虫控制策略。

茄属植物（如马铃薯、番茄和茄子）中特定甾体化合物的生物合成途径始于胆固醇。有几项研究探究了参与甾体糖苷生物碱形成的酶。虽然生产甾体特定代谢物支架的基因已经知道，但在其他植物中成功重建这些化合物的工作尚未完成。

由Prashant Sonawane 领导的天然产物生物合成系“植物特定甾体代谢”项目组开始寻找这个拼图中缺失的那一块。在描述这项研究的问题时，Sonawane说，“通过我们的研究项目，我们特别想弄清这种生物合成途径中的哪个重要组成部分至今仍未被研究发现，以及这个基因或蛋白在该途径中发挥了什么作用。我们还想知道，在确定缺失的成分后，我们是否能重建这种生物合成途径。我们研究的一个重要方面还在于进一步了解甾体皂苷在植物中的生态作用。”

GAME15：茄属植物甾体分子生物合成过程中一个未知但至关重要的角色

作者使用野生植物龙葵进行研究，因为它在不同的组织中产生不同的甾体化合物，所有这些化合物都来自相同的前体---胆固醇。

在叶片中，最重要的甾体代谢物是一种叫做uttroside B的皂甙，而在浆果中，最重要的甾体化合物是甾体糖苷生物碱，如 α-澳洲茄碱（α-solasonine）、α-澳洲茄边碱（α-solamargine）和丙二酰澳洲茄边碱（malonyl-solamargine）。GAME6、GAME8 和 GAME11 三种酶参与了这两种化合物的形成，在叶片和浆果中均有发现。

共聚焦显微镜用于确定这些酶在细胞中的位置。通过生化和分子生物学分析，他们确定了一个编码 GAME15 蛋白的基因。

图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.ado3409

虽然 GAME15 属于纤维素合酶样蛋白家族，但它并不具有生产纤维素的功能。相反，它对甾体化合物的生物合成非常重要，尽管它不像其他酶那样具有催化功能。

论文第一作者Marianna Boccia解释说，“我们的蛋白相互作用实验表明，GAME15 与 GAME6、GAME8 和 GAME11 相互作用。这些酶负责胆固醇羟基化的第一步，从而形成呋喃甾醇苷元（16,22,26-三羟基胆固醇），这是合成甾体皂苷和糖苷生物碱的关键分支。利用敲除了 GAME15 基因的龙葵，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甙。”

茄属植物中的甾体化合物具有巨大的医疗应用潜力

甾体皂甙和甾体糖苷生物碱是一组具有医疗应用前景的化合物。例如，近期的研究已表明，某些皂甙对治疗肝癌非常有效。甾体糖苷生物碱也具有抗癌特性以及抗菌和抗炎活性。

Sonawane 说，“通过鉴定 GAME15，我们能够在异源宿主（如本生烟草）中重建这种甾体化合物代谢途径，直到支架呋喃甾醇（甾体皂苷的前体）和茄解定（甾体糖苷生物碱的直接前体）。”

在本生烟草等植物中重建具有医学价值的化合物也被称为 “制药（Pharming）”。制药是指利用具有一种综合生物合成途径的转基因植物来生产医用化合物，从而以低成本、高效益的方式大规模生产药物。因此，这些研究结果为改进重要甾体化合物的生产提供了可能性。

首次证明皂甙在防御食草动物方面的生态作用

人们已经知道甾体糖苷生物碱是重要的植物防御物质。它们是茄属植物的典型毒性化合物，也存在于马铃薯、西红柿和茄子中。不过，通过去皮、烹饪或油炸等方法可以大大降低它们在农作物中的毒性。

在西红柿中，甾体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。然而，龙葵叶片中甾体皂苷的生态作用至今仍不为人知。

作者提供了一条关键线索：他们注意到，无法产生皂苷的 GAME15 基因敲除植株比野生型植株更容易受到昆虫食草动物的攻击。出于对这一观察结果的好奇，他们开展了生态实验，用两种天然茄科植物害虫进行喂食试验。

Boccia说，“在第一项实验中，两种食草动物——叶蝉 Empoasca decipiens 和科罗拉多马铃薯甲虫 Leptinotarsa decemlineata 在野生型植物（产生甾体皂甙）和 Game15 基因敲除植物（由于 GAME15 基因被敲除而不产生皂甙）的叶子之间做出选择。一周后，我们测量了这两种昆虫造成的损害。结果清楚地表明，这两种食草动物几乎都以基因敲除叶片为食，表现出对它们的偏好性高于野生型植物叶片。在第二项实验中，我们使用了‘强迫取食’生物测定，特别是科罗拉多马铃薯甲虫。”

Boccia补充道，“在这种测试中，我们将单个科罗拉多马铃薯甲虫与野生型植物或基因敲除植物的分离叶片放在一起。仅仅六小时后，这些甲虫就很容易吃到缺乏甾体皂苷的基因敲除叶片，而它们基本上都避开了野生型植物叶片，显然宁愿挨饿也不愿进食”，这首次证明了甾体皂苷在植物防御中的作用。

对叶片和浆果中存在不同的甾体化合物的一种可能解释是，这些化合物专门用于保护不同的植物组织。叶片更容易受到食草动物的攻击，而浆果则更容易受到病原体的侵袭。

论文共同通讯作者Sarah O'Connor说，“我们的发现突显了茄属植物如何将纤维素合酶之类的蛋白从核心代谢作用（如纤维素的生物合成）劫持为一种结构作用，而这种结构作用是植物抵御病原体所需的专门化合物的生物合成所必需的。这一发现为工程化提高作物抗虫害能力以及生产重要的甾体化合物以抗击癌症和其他疾病带来了新的机遇。” （生物谷Bioon.com）

参考资料：

Marianna Boccia et al. A scaffold protein manages the biosynthesis of steroidal defense metabolites in plants. Science, 2024, doi:10.1126/science.ado3409.