不同植物MEP途径中HDS基因及其功能的比较 - 图文

Botanical Research 植物学研究, 2024, 9(4), 387-391

Published Online July 2024 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/br https://doi.org/10.12677/br.2024.94048

Comparison of HDS Genes and Functions in MEP Pathway among Different Plants

Shinan Liu, Mingcong Chen, Ruofei Lv, Jie Na*

School of Life Sciences, Liaoning Normal University, Dalian Liaoning

stthth

Received: Jul. 1, 2024; accepted: Jul. 17, 2024; published: Jul. 24, 2024

Abstract

HDS belongs to GcpE protein family, with 4Fe-4S activation center. HDS is the key enzyme of ter-penoid substances precursor IPP synthesis, monoterpene and double terpenoids aromatic sub-stances, carotenoids, VE and important material such as chlorophyll synthesis of key control site. The MEP pathways that regulate the catalysis of synthesis of TIAs for pollinating plants against predators, metabolic regulation plays an important role in such aspects, the HDS for cloning genes and carries on the correlation analysis to study the effect of the synthesis of TIAs has great signi-ficance. In this paper, HDS genes in MEP pathway were compared among different plants from gene cloning, gene function and gene expression characteristics mainly to try to understand the role of HDS gene playing in MEP pathway.

Keywords

HDS Gene, MEP Pathway, Biosynthesis of Terpenoid Substances

不同植物MEP途径中HDS基因及其功能的比较

刘诗楠，陈明聪，吕若飞，那 杰*

辽宁师范大学生命科学学院，辽宁 大连

收稿日期：2024年7月1日；录用日期：2024年7月17日；发布日期：2024年7月24日

摘 要

HDS属于GcpE蛋白家族，具4Fe-4S活化中心。植物HDS既是萜类物质前体IPP合成的关键酶，也是单萜

*通讯作者。

文章引用: 刘诗楠, 陈明聪, 吕若飞, 那杰. 不同植物MEP途径中HDS基因及其功能的比较[J]. 植物学研究, 2024, 9(4): 387-391. DOI: 10.12677/br.2024.94048

刘诗楠 等

和双萜类芳香物质、类胡萝卜素、VE和叶绿素等重要物质合成的关键调控位点。其催化调节的MEP途径所合成的萜类化合物对于植物传粉、对抗天敌、代谢调控等方面具有重要作用。本文主要从基因克隆、基因功能以及基因表达特性比较三个方面来分析比较不同植物MEP途径中的HDS基因，以期深入了解该基因对萜类化合物合成的作用。

关键词

HDS基因，MEP途径，萜类化合物生物合成

Copyright ? 2024 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Open Access 1. 引言

MEP途径又称质体途径(plastid pathway)，存在于真细菌以及进行光合作用的生物中(如高等植物、藻类、光合细菌等)。该途径产生的萜类吲哚生物碱是类异戊二烯生物合成的前体物质。类异戊二烯及其衍生物在生物代谢和细胞壁合成中至关重要，目前许多植物类异戊二烯化合物如有价值次生代谢产物香精油、药品、膳食补充剂、生物聚合物和农药已被广泛应用于工业、医药和农业。MEP途径中HDS蛋白是植物萜类物质合成MEP途径中催化第六步反应所需的酶，催化ME-cPP转化生成HMBPP，最后生成IPP和DMAPP后经异戊烯基转移酶类的延伸反应以及萜类合酶的修饰作用，合成种类繁多且功能各异的萜类化合物。本文拟对植物中克隆出的HDS基因及其功能进行比较，以期了解该基因在不同植物MEP途径中作用的特性，丰富对HDS基因及其功能的认识。

2. 不同植物HDS基因的克隆与序列分析

2.1. 不同植物中分离克隆的HDS基因

植物、藻类、微生物均具有HDS基因。系统进化分析表明，三者的HDS基因分属不同的分支。目前已经从黄花蒿、多花水仙等多种被子植物中克隆出HDS基因[1]-[10] (表1)，其中既有单子叶植物，也有双子叶植物；既有草本植物，也有木本植物；既有一年生植物，也有多年生植物，说明由HDS基因调节的MEP途径广泛存在于被子植物中。亲缘关系分析表明HDS基因在同科同纲植物中亲缘关系最近(表2)。

Table 1. Phytogroups in which the HDS genes were cloned till now 表1. 目前克隆获得HDS基因的植物类群

植物

黄花蒿[1] (Artemisia annua Linn) 萝芙木[2] (Rauvolfia verticillata (Lour.) Baill.)

杜仲[3] (Eucommia ulmoides Oliver) 茶树[4] (Camellia sinensis (L.) O. Ktze.) 白花丹参[5] (Salvia miltiorrhiza Bge.f.alba

C.Y. Wu et H.W. Li)

门 被子植物 被子植物 被子植物 被子植物 被子植物

纲 双子叶植物 双子叶植物 双子叶植物 双子叶植物 双子叶植物

目、科 桔梗目菊科 龙胆木夹竹桃科 杜仲目杜仲科 杜鹃花目山茶科 管状花目唇形科

生命周期 一年生草本植物 多年生木本植物 多年生木本植物 多年生木本植物 多年生木本植物

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多花水仙[6] (Narcissus tazetta L. var. chinensis Roem.) 铁皮石斛[7] (Dendrobium officinale Kimura et Migo)

毛果杨[8] (Populus trichocarpa)

盾叶薯蓣[9] (Dioscorea zingiberensis C. H. Wright)

新塔花[10] (Ziziphora bungeana Juz.)

被子植物 被子植物 被子植物 被子植物 被子植物

单子叶植物 单子叶植物 双子叶植物 单子叶植物 双子叶植物

百合目石蒜科 微子目兰科 杨柳目杨柳科 百合目薯蓣科 管状花目唇形科

多年生草本植物 多年生草本植物 多年生木本植物 多年生草本植物 多年生芳香半灌木

Table 2. Evolutionary relationship of HDS genes among different plants 表2. 不同植物中HDS基因进化关系

植物种类 黄花蒿 萝芙木 白花丹参 多花水仙 茶树 铁皮石斛 杜仲 毛果杨 盾叶薯蓣 新塔花

基因名称 AaHDS RvHDS smHDS NTHDSY CsHDS DoHDS EuHDS PtHDS DzHDS zbHDS

亲缘关系

与甜菊的HDS亲缘关系最接近，这与黄花蒿和甜菊同属菊科植物的事实相符 与植物长春花的HDS亲缘关系最接近，这也符合萝芙木与长春花同属夹竹桃科植

物的事实 与紫花丹参HDS关系最近，其次与库洛胡黄连的关系较近，与植物类聚为一大支，

与苔藓和绿藻关系最远 与单子叶植物铁皮石斛进化最为相近，与双子叶植物甜橙、可可、苹果、梅和葡萄

距离较远

与杨树的亲缘关系最为接近

蛋白与同为单子叶植物的海枣Phoenix dactylifera L. HDS蛋白聚为一类

蛋白序列与葡萄的亲缘关系最为接近 与葡萄、三叶胶分支的亲缘关系比最近

与菠萝一致性最高 与丹参具有较近的亲缘关系

2.2. 不同植物中HDS基因序列与蛋白质结构特征

比较不同植物HDS基因发现，HDS基因的序列长度一般都在2000~3000 bp，开放阅读框长度大多约为2200 bp，生物信息学预测HDS基因编码氨基酸在740个左右(表3)。

Table 3. Characteristics of HDS gene and protein in different plants 表3. 不同植物中HDS基因序列与蛋白结构特征

基因名称 AaHDS smHDS CsHDS EuHDS NtHDSY NtHDS RvHDS DoHDS DzHDS ZbHDS

序列长度 /bp 2324 2529 2603 2786 2592 2599 2645 2666 2488 2465

开放阅读框

/bp

1854 2229 2226 2232 2178 2178 2223 2238 2250 2229

编码氨基酸数

/个

617 742 741 743 745 745 740 745 749 742

HDS蛋白二级结构

随机卷曲占45.38%，α-螺旋占40.19%，延伸链占14.42% α-螺旋占37.32%，β-折叠结构占20%，反转结构占42.68% α-螺旋占35.49%，β-转角结构占7.15%，延伸链占20.38%，无规

卷曲占36.98% α-螺旋占37.55%，β-折叠结构占19.25%，螺旋结构占43.20%

- -

随机卷曲占45.54%，α-螺旋占38.38%，片层结构占16.08% α-螺旋占35.03%，β-转角结构占10.87%，无规卷曲占31.01%

未给出

α-螺旋占36.12%，β-转角结构占11.19%，延伸链22.51%，无规

则卷曲30.9%

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HDS蛋白在不同植物中的理化性质比较一致。蛋白N端比藻类和细菌多大约80个氨基酸残基。重要的是，HDS蛋白序列中均预测出在质体转运中发挥作用的转运肽序列[1]。植物HDS蛋白的氨基酸序列中含有3个高度保守的半胱氨酸位点，被认为可能是蛋白转运金属离子结合位点的一部分[2]。多序列比对得出萝芙木和茶树的3个半胱氨酸残基活性位点分别处于不同位置[2] [4]，茶树CsHDS中相应位置为CsHDS-632、CsHDS-644、CsHDS-647，而萝芙木RvHDS中相应位置为Cys-644、Cys-647、Cys-678。HDS蛋白二级结构中以α螺旋、β-折叠和β-转角较多，一般地，α-螺旋是HDS蛋白多肽链中比较丰富的结构元件，散布于整个肽链。成熟蛋白序列具有2个保守结构域——N端的延伸区域PSN和约30 KD的中心结构域PSI [11]。HDS晶体结构分析显示了HDS蛋白中的4Fe-4S活性中心蛋白与底物的结合位点[12]。

2.3. 不同植物HDS基因克隆技术上的差异

在黄花蒿、萝芙木等已有报道中可知HDS基因的cDNA全长克隆均采用RT-PCR和RACE技术[1]-[9]，但对于第一步提取RNA的技术有所不同，黄花蒿、萝芙木、茶树、多花水仙、铁皮石斛、毛果杨中使用多种RNA提取试剂盒提取RNA [1] [2] [4] [6] [7] [8]，对杜仲则使用改良的CTAB-LiCl法提取[3]，而白花丹参利用Trizol试剂提取[5]。新塔花的研究中借助了转录组数据库的相关信息[10]。

3. 不同植物HDS基因功能的多样性

3.1. 不同植物HDS基因表达特性

实时荧光定量PCR测定分析表明，不同植物中HDS基因表达具有组织器官差异。茶树中HDS的表达量在成熟叶中最高，嫩茎中最低，这与在萝芙木、新塔花中发现的规律相似[1] [10]。铁皮石斛DoHDS在茎中表达量最高，说明了同一基因在不同植物中，基因表达量不同；在同一植物不同组织中，基因表达量亦不相同[7]。多花水仙中，盛花期HDS基因无论是在花瓣还是副冠中的表达量都明显高于花蕾期，推测NtHDS表达水平的高低可能与花香物质的合成量有关[6]。茉莉酸甲酯(MeJA)和紫外(uv)可使得MEP途径中HDS上游的一个诱导子——MECs酶基因的表达上调，但包含茉莉酸甲酯(MeJA)、紫外(uv)、脱落酸(ABA)和丙烯腈(ASA)在内的诱导子对于HDS基因的表达均无直接影响。因此，需进一步研究能够使HDS表达上调的诱导子，再利用基因工程的手段，以期增加萜类化合物的产量。

3.2. 不同植物HDS基因功能的比较

植物体通过MEP途径合成各种对人类工业、农业、医药起重要作用的萜类物质，其对生物自身生长发育也非常关键，HDS在植物中的功能主要是调节MEP途径，影响萜类化合物的产量，但是在不同植物中的功能具有多样性，如参与植物防御和早期发育调节等，具体见表4。

Table 4. HDS gene functions in different plants 表4. 不同植物HDS基因的功能

植物种类 黄花蒿 萝芙木 多花水仙 拟南芥 拟南CSB3突变体

HDS基因功能

MEP途径调节黄花蒿中青蒿素的合成

MEP途径合成利血平类、育亨宾类等重要的有医药作用的萜类吲哚生物碱]

扩充多花水仙的基因库；利用HDS基因改善其他植物的花香

参与拟南芥叶绿体的早期发育[2]；调控代谢流；在植物质体中起到转录后相关调控作用

参与植物防御，调节了MEP途径与植物SA影响的相关抗性因子

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刘诗楠 等

Continued

长春花 铁皮石斛 丹参 茶树 新塔花

HDS的启动子可以与具有cis-元件的转录因子特异性的结合,进而调控萜类物质前体的合成

影响萜类代谢产物的产量 MEP途径合成丹参酮类化合物

MEP途径可合成挥发性有机化合物吸引害虫的天敌，从而提高茶叶的生产量和质量

MEP途径合成萜类物质

4. 讨论

本研究比较分析表明，从黄花蒿等多种植物中分离克隆的HDS基因序列有较高的同源性，但功能具有多样性。已知大肠杆菌HDS基因是生长必需基因[13]，植物HDS基因除作为萜类化合物MEP合成途径中的关键酶基因[14]，还具有参与植物防御等作用，其基因表达模式和调控特征尚需通过实验进一步了解。

5. 展望

萜类化合物是植物中比较丰富的次生代谢产物，对HDS基因及其功能的认识将有利于深入了解萜类化合物合成的机制和调控特征，为进一步促进药用植物的利用提供理论支撑。

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