aBIOTECH | 爱荷华州立大学Reuben J. Peters教授解析Oryzalexin S的生物合成途径

病原菌侵染后，水稻体内会迅速产生二萜植保素，主要包括Momilactone, Phytocassane, Oryzalexin及ent-10-Oxodepressin，从而增强水稻抗病性。基因簇（Biosynthetic gene cluster, BGC）是指在染色体上成簇出现并协同转录的非同源基因,它们通常编码一些特定化合物生物合成途径中催化连续步骤的酶。研究发现，水稻二萜植保素的生物合成主要由分别位于2号、4号及7号染色体（c2, c4及c7）上的三个基因簇控制，其中c2BGC与c4BGC被发现在籼稻和粳稻中都保守存在，分别负责Phytocassane与Momilactone的合成；而c7BGC只存在于粳稻中，与ent-10-Oxodepressin的合成有关；同时也有非基因簇基因参与到Oryzalexin A-S的合成中。研究发现，这些基因簇和非基因簇之间并不是完全独立的催化产生植保素，而是协同合作的，但是具体的催化途径和进化过程并不清楚。

近日，美国爱荷华州立大学Reuben J. Peters教授课题组在aBIOTECH发表了题为"Oryzalexin S biosynthesis: a cross-stitched disappearing pathway"（点击题目阅读全文）的研究论文，报道了Oryzalexin S的生物合成途径，并且解析了其关键合成基因OsKSL8的进化过程。

作者发现，OsKSL8催化syn-CPP生成syn-stemar-13-ene，随后被来自c4BGC的OsCYP99A2/3羟基化C19生成syn-stemar-13-en-19-ol，接下来再进一步被来自c7BGC的OsCYP71Z21/22羟基化C2α位置进而生成Oryzalexin S。因此，Oryzalexin S的生物合成通过OsKSL8将两个独立的BGCs串联整合起来，为基因簇介导的水稻二萜植保素生物合成提供了新的途径。

此外，之前研究认为粳稻中OsKSL11(Os11g0474800)与OsKSL8(Os11g0474900)是位置相近的两个高度同源基因，但是在粳稻和籼稻中深入分析发现，OsKSL11是OsKSL8在相同遗传位点上的籼型等位基因。有趣的是，在水稻进化过程中，随着籼稻向(亚)热带粳稻的转化，OsKSL8-粳稻（OsKSL8_japonica）被OsKSL11-籼稻（OsKSL8_indica）取代，而由于大部分籼稻中缺失c7BGC中的OsCYP71Z21/22，导致由OsKSL8催化产生的Oryzalexin S在籼稻中消失。该研究为植物次生代谢和生物合成基因簇进化提供了新的理解。

阅读原文：https://link.springer.com/article/10.1007/s42994-022-00092-3