NC | 德国汉诺威-莱布尼茨大学揭示豆科中脲的生物合成和运输新模型

与大多数植物不同,豆科植物可以通过与固氮细菌共生从大气中获取N2 ,这些细菌入侵植物根部并诱导根瘤的形成。在根瘤细胞中含有敏感的固氮酶复合物,以换取营养物质。在根瘤中产生的铵盐被植物长距离的转运代谢物,通过根瘤维管系统将氮输送到地上部分。大多数温带气候的豆科植物,使用谷氨酰胺和天冬酰胺形式转运,而许多(亚)热带来源的豆科植物,合成尿囊素和尿囊酸脲的形式运输。

植物中的脲是通过嘌呤核苷酸从头合成的。IMP 脱氢酶(IMPDH)参与到豆科植物中脲生物合成。脲的有效前体是IMP 和 XMP,当黄嘌呤脱氢酶 (XDH) 活性受到抑制剂或XDH突变时,黄嘌呤会在根瘤中积聚。最近在拟南芥中报道植物中具有参与体内嘌呤分解代谢的 XMP 磷酸酶 (XMPP)。黄嘌呤核苷也可以从 GMP 去磷酸化为鸟苷并通过胞质酶鸟苷脱氨酶 (GSDA)脱氨基而获得。GSDA突变导致黄嘌呤强烈减少,鸟苷酸浓度增加。在拟南芥中NSH1, NSH2 参与到黄嘌呤的降解途径。NSH1 形成同聚复合体参与到黄嘌呤的降解通路中,另一种是由 NSH1 和NSH2 形成的异源复合体参与黄嘌呤的降解。这些酶在植物中是保守的。但是目前为止,尚未研究这些不同酶在热带豆科植物固氮根瘤中脲生物合成中的作用。

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德国汉诺威-莱布尼茨大学近日在NC上发表了题为“Enzymes and cellular interplay required for flux of fixed nitrogen to ureides in bean nodules”的文章。该文章丰富了豆科植物以脲为转运形式的模型。

作者首先对热带豆科植物(以脲为转运形式)和温带豆科植物的根瘤转录组数据进行比较。分析发现XMPP、NSH1 和 NSH2只在热带豆科植物的根瘤中上调,GSDA轻微诱导。结合前人的研究,作者创制了XMPP、GSDA、NSH1 和 NSH2 和 XDH 的突变体。探究这些基因是否参与到了热带豆科植株中脲的合成。

在这项研究中,xdh大豆突变体结节积累了大量的黄嘌呤并且不产生脲,同时也检测了IMP的含量与野生型相比突变体中的含量并没有增加说明黄嘌呤主要不是通过 IMP 降解产生的。xmpp 和 xmpp gsda.2 gsda.3 突变体中黄嘌呤积累尿囊素和尿囊酸浓度降低,这表明这些酶参与了脲的生物合成。

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图1.突变体中代谢产物含量分析

为了评估 NSH1 和 NSH1/NSH2 复合体是否参与在根瘤脲中生物合成,分析了 nsh1 和 nsh2 突变体中根瘤的代谢物含量。由于 NSH2 需要与 NSH1 相互作用才能激活,因此 NSH1的突变体可以被认为是 NSH1 和 NSH2 的功能性敲除。缺乏 NSH1 的根瘤中积累了黄嘌呤,并且尿囊酸含量大大降低,这表明 NSH1 是脲生物合成的关键酶。有趣的是,nsh2根瘤中的代谢物含量与野生型没有区别。虽然这表明 NSH2 不是脲生物合成所必需的,但生化数据显示 NSH1 和 NSH2 相互作用,并且该复合物比单独的 NSH1 具有显着更强的黄嘌呤水解酶活性。

脲的生物合成在受侵染的细胞中开始并最终转移到未侵染的细胞中,但转变点仍不清楚。作者使用启动子-报告系统来研究几种已知参与脲生物合成基因的启动子活性。使用共聚焦荧光显微镜分析在启动子 pXMPP、pGSDA.1、pGSDA.2、pGSDA.3、pNSH1、pNSH2、pXDH、pUOX 或 pALN 控制下表达报告基因的结节的横截面。pXMPP 和三种 pGSDA,在仅在感染细胞中中心区域观察到荧光,这与公共 RNAseq 数据集中来自该基因的相对低丰度的 mRNA 一致。数据表明 XMP 去磷酸化和鸟苷脱氨发生在受感染的结节细胞中。NSH1 和 NSH2 的启动子都仅在与侵染细胞密切相关的未侵染细胞中具有活性。表明,脲的生物合成发生在受感染的细胞中。黄嘌呤在相邻的未感染细胞中被 NSH1/NSH2 复合物水解为核糖和黄嘌呤。作者在与侵染细胞密切相关的未侵染细胞中观察到 UOX 启动子活性。根据这些发现,XDH 在侵染细胞中产生的尿酸盐被转移到侵染区的未侵染细胞中,以通过 UOX 进一步氧化。ALN荧光蛋白定位于内皮层维管束周围的细胞中。

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图2.豆科中脲生物合成和运输模型

综上所述,作者创制了 XMPP、GSDA、NSH1 和 NSH2 和 XDH 突变体。通过LC-MS 分析了嘌呤核苷酸分解代谢的靶向代谢谱,探究了这些基因在脲生物合成中的作用。此外,探究了这些基因UOX 和 ALN 的细胞表达域。创建了一个根瘤中脲生物合成的模型。

文章来源:植物生物技术Pbj

官网链接:plant.biorun.com
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