Science：发现大麦合成有毒生物碱禾草碱的第二个关键基因

所有植物都通过化学信号来介导它们与环境的相互作用。世界上种植最广泛的谷物之一——大麦（barley）产生的生物碱禾草碱（gramine）就是一个例子。禾草碱可以抵御食草昆虫和放牧动物，并抑制其他植物的生长。尽管人们长期以来一直对禾草碱感兴趣，但形成禾草碱的关键基因仍然难以捉摸。

科学家们在大麦中发现了两个基因簇，用于禾草碱的生物合成。第一个基因（HvNMT）早在 18 年前就已被发现。如今，在一项新的研究中，来自德国莱布尼茨植物遗传与作物研究所和汉诺威莱布尼茨大学的研究人员发现了第二个基因（AMI 合酶，HvAMIS），并发现这两个基因位于同一条染色体的附近。有了这一发现，禾草碱生物合成途径如今完全阐明。相关研究结果发表在2024年3月29日的Science期刊上，论文标题为“Biosynthesis of the allelopathic alkaloid gramine in barley by a cryptic oxidative rearrangement”。

论文共同通讯作者、莱布尼茨植物遗传与作物研究所代谢多样性研究小组负责人John D'Auria博士说，“我们发现AMIS是一种氧化酶，它能对色氨酸进行不寻常的隐性氧化重排，这使我们能够修正上世纪60年代提出的禾草碱生物合成建议。”

论文共同通讯作者、汉诺威莱布尼茨大学植物特殊代谢物生物化学组组长 Jakob Franke 博士教授补充说，“我们对迄今为止未知的形成禾草碱的酶机制感到非常惊讶。与此同时，我们如今有可能利用可持续的生物技术方法生产出具有生物活性的生物碱。”

这些作者能够在酵母和模式植物（本生烟和拟南芥）中产生禾草碱。论文共同第一作者、汉诺威莱布尼茨大学的 Ling Chuang 说，“与来自植物的许多其他保护性代谢物相比，制造禾草碱只需要两个基因。因此，将我们的发现用于实际应用相对简单。”

图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adk6112

论文共同第一作者Sara Leite Dias解释说，“此外，大麦基因工程使我们能够在不产生禾草碱的大麦品种中产生禾草碱，并通过基因组编辑消除产生禾草碱的大麦品种中的禾草碱产生。”

D'Auria博士说，“这些结果为在没有合成禾草碱能力的有机体内产生禾草碱奠定了基础，以便将禾草碱用作天然植物保护剂，或消除大麦和其他禾本科植物中的禾草碱，从而降低对反刍动物的毒性。我们的发现为改良大麦奠定了基础，以提高大麦对害虫的抗性，降低大麦对反刍动物的毒性，并促进可持续的杂草管理。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Sara Leite Dias et al. Biosynthesis of the allelopathic alkaloid gramine in barley by a cryptic oxidative rearrangement. Science, 2024, doi:10.1126/science.adk6112.

Researchers discover key gene for toxic alkaloid in barley
https://phys.org/news/2024-03-key-gene-toxic-alkaloid-barley.html