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一种新工具可以使研究稀有植物分子变得更容易。由加州大学圣地亚哥分校共同领导的研究人员已经开发出所谓的微生物细胞工厂——利用大肠杆菌和酵母——以前所未有的水平生产一种特殊的植物激素，即独角甾内酯。通过扩大植物中含量极低的独角兽内酯的生产，研究人员现在有能力比以前更深入地研究这些难以捉摸的植物分子。这项工作可以通过更深入地了解植物如何制造和使用天然激素来适应和生存，从而帮助改善可持续农业实践。
有时候，使用不同的工具会让工作变得简单很多。由加州大学圣地亚哥分校共同领导的一组研究人员已经开发出一种方法，利用微生物细胞工厂以前所未有的水平生产一种特殊类型的植物激素，称为独角兽内酯。通过扩大独脚金内酯的生产，研究人员现在有能力比以前更深入地研究这些稀缺而神秘的植物分子。
这项新研究发表在1月17日的《科学》杂志上，可以通过更深入地了解植物如何制造和使用天然激素来适应和生存，从而帮助改善可持续农业实践。
世界各地的科学家一直对独角酯内酯感兴趣，因为它们在控制植物发育，调节植物与附近土壤微生物的共生关系以及触发寄生植物发芽方面发挥作用。
但是，了解这些独角兽内酯的进展有些停滞，部分原因是这些分子在植物中的含量很低。因此，科学家不得不使用费力的方法，通常使用大量的植物材料，只是为了获得足够的材料来识别它们。
现在，加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的研究人员与加州大学河滨分校和日本宇都宫大学合作，在研究中引入了一种基因组学驱动的策略，使用微生物细胞工厂来克服丰度挑战。
“我们有了这种工程方法，使一切变得更容易，以前不可能的事情现在成为可能，”该研究的共同通讯作者Yanran Li说，他是加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院化学和纳米工程系李宇峰家族教授，专门研究合成生物学和代谢工程。
该团队的方法利用了大肠杆菌和贝克酵母的能力来生产独角酯内酯。通过共同培养这两种宿主，研究人员创建了一个微生物细胞工厂，其产量比以前的微生物联合体高出125倍以上。相比之下，研究独脚金内酯的传统方法可能需要提取至少340升木质部汁液——相当于7或8棵杨树的汁液。实际上，这个量需要接近1000升，Yanran Li解释说，以考虑分离和纯化化合物的损失。
“通过使用这个微生物细胞工厂，你可以避免提取成吨的木质部汁液，从而破坏几十棵树，从而发现对植物生理学重要的分子，”Yanran Li说。
工程方法
首个独角孤内酯是在20世纪60年代发现的，但直到2008年，这类化合物的激素作用才被认识到。作为激素，独角甾内酯控制着植物的发育及其对逆境的反应，如缺水或营养不足的情况。自2008年认识到这一点以来，植物生物学家一直在努力弄清楚独角甾内酯及其相关化合物的化学成分和用途。到目前为止，这些发现更多的是推测性的，而不是决定性的，部分原因是植物中激素化合物的含量非常低。
到目前为止，已经发现了大约30种独脚金内酯，它们都有一个共同的祖先。在大多数开花植物中，驱使这种前体转化为许多独脚金内酯的是一种特定的蛋白质编码基因（CPY722C）。由于该基因的姐妹基因在种子植物中广泛存在，李和她的团队假设这些姐妹基因，标记为CYP722A和CYP722B，也可能产生具有重要生物学作用的独角金内酯。
为了进行调查，研究人员在一个微生物细胞工厂中测试了姐妹基因的变化，该工厂是通过共同培养大肠杆菌和贝克氏酵母制成的，他们之前开发了这种细胞工厂。利用这个平台，他们表达了16种不同植物的CYP722A和CYP722B基因，包括杨树、辣椒、豌豆和桃子。通过进一步的代谢工程，第一作者周安琪，李实验室的化学工程博士生，找到了有效的方法来优化孤孤内酯的输出浓度，比以前增加了125倍以上。
这种浓度的提高为研究人员提供了足够的材料来弄清楚任何产生的化合物的结构，这些化合物可能在植物生理学中发挥重要作用。
其中一个重要的分子可能是由CYP722A或CYP722B产生的一种新化合物：一种名为16-羟基己内酯酸（16-OH-CLA）的己糖内酯。
芽不是根
虽然16-OH-CLA之前有报道，但它的确切结构和为什么它可能很重要还不完全清楚。由于微生物细胞工厂能够生产足够数量的16-OH-CLA，这使得研究小组第一次发现了它的精确结构。
有趣的是，当研究人员在植物中寻找16-OH-CLA时，他们只在芽中检测到它，而不是在根中，这与所有其他已知的独角子内酯不同。更重要的是，这种化合物并不是在任何时候都存在。对于像胡椒或豌豆这样的一年生植物，一旦植物成熟发育，这种化合物就会消失。对于像杨树这样的树木来说，它是季节性的。
尽管16-OH-CLA的具体功能尚不清楚，但它在种子植物和不同寻常的植物区域中普遍存在，表明它可能在植物信号传导或适应环境挑战中发挥着关键作用，但尚未得到充分认识。由于新的工程方法，研究人员将很容易获得他们需要深入挖掘的数量——这正是李和他的团队现在正在研究的。
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