- -防御物质葡萄糖酸盐也成为营养的备用槽-
理化学研究所(理研)环境资源科学研究中心代谢系统研究小组的杉山龙介基础科学特别研究员(研究当时)、路易研修生(研究当时)、平井优美小组组长等国际联合研究小组指出，十字花科植物是含硫原子( s )的二次代谢产物[1]本研究成果可望对植物面向持续的食物生产和高功能作物开发的性状改良做出贡献。不能自行移动的植物通过合成被称为次生代谢产物的各种化合物，保护自己免受植食昆虫和病原菌的侵害。 由于其合成需要投入大量的能量和材料，因此作为植物的生存战略，二次代谢产物的合成与自身成长保持平衡是很重要的。这次，国际共同研究小组分析了拟南芥[3]作为防御物质合成的葡萄糖苷酸，将其转化为也成为身体构成成分的含硫氨基酸半胱氨酸的途径。 虽然已知从半胱氨酸中制备葡萄糖苷的途径，但从分子水平上明确了从被认为是最终产物的葡萄糖苷中制备半胱氨酸的途径还是第一次。本研究刊登在科学杂志《国家科学杂志》在线版( 5月25日)上。 -
背景植物作为生存战略的一环，在其自身储存有各种各样的二次代谢产物，有助于抵御外敌和适应环境。 这样的成分对人类也显示出了有益的效果，在疾病治疗和健康增进等方面的利用方法已经得到了广泛的研究。二次代谢产物一方面提高了植物的存活率，另一方面其合成需要投入大量的能量和材料。 因此，例如在营养来源有限的情况下，必须要和使自身生长的营养素取得很好的平衡。 从这样的观点出发，“植物是否可以将次生代谢产物作为营养源进行分解再利用”的疑问长年被讨论。 但是，迄今为止还没有明确表示回收途径实际存在，以及该系统可用于植物生存的例子。本研究中着眼的葡萄糖苷主要是十字花科植物制作的成分，已知可以作为对昆虫的食害和病原菌的防御物质。 植物内的葡萄糖酸储备量随环境中的营养素，特别是硫浓度的不同而有很大的变动。 基于含有多个硫原子( s )的分子结构等，15年多前有人指出“对十字花科植物来说，葡萄糖苷也是硫营养的贮存器”的假说，但其详细情况仍被谜团笼罩。 因此，国际共同研究小组的目标是，了解从葡萄糖苷中回收硫的分子机制，以及阐明其对植物的生理学意义。 -
研究方法和成果国际联合研究组使用十字花科植物拟南芥解决了以下三个课题。1 .葡萄糖苷作为硫营养是否帮助植物生长？植物在缺乏作为主要硫源的硫酸离子的营养条件下不能充分生长。 在这里加入一定量的葡萄糖苷进行栽培，拟南芥就能和在通常的营养条件下栽培一样成长(图1A )。 这个结果表明，构成葡萄糖苷的硫原子被用作了植物的营养源。 葡萄糖苷酸的分子中至少含有两个硫原子，一个被认为是通过葡萄糖苷酸的分解作为硫酸离子释放出来的(图1B )。于是，接着调查了另一个硫原子是否也可以作为营养源利用。 具体来说，用自然界中仅存的硫磺同位素[4] 34s标记该部位的合成葡萄糖苷酸给予拟南芥，利用质谱[5]装置对植物中的成分进行了分析。 结果发现，构成植物身体的重要氨基酸半胱氨酸和蛋氨酸中含有很多这34S (图1C )。 综上所述，拟南芥可以将葡萄糖苷作为硫营养加以利用，通过1分子葡萄糖苷的分解可以回收至少2个硫原子。 -
图1从拟南芥的葡萄糖酸盐中回收硫营养-
( a )在不同营养条件下栽培的拟南芥实生苗的照片。 在不含硫酸离子作为硫磺来源的条件下会发生植物的生长异常，但添加葡萄糖酸盐时看不到这样的现象。( b )用同位素34S标记的葡萄糖苷的结构。 红色部分被认为在分解时会以硫酸离子的形式释放出来。( c )以硫酸离子或葡萄糖苷为硫营养源栽培的拟南芥实生苗中的半胱氨酸含量比较。 表明来源于葡萄糖苷酸的34S被半胱氨酸摄取。
2 .葡萄糖苷的硫是通过什么途径传递到半胱氨酸的？葡萄糖苷酸是一种含糖化合物，也称为芥末油苷，一般被一种叫做淀粉酶的糖酵解酶破坏，转化为异硫氰酸酯(芥末油)等挥发性物质。 硫酸根离子被认为是在这个时候释放出来的，光靠这个不能解释另一个硫原子最终被半胱氨酸等摄取的理由。因此，通过向拟南芥中加入用重氢( 2H )置换了与图1B不同的部位的葡萄糖苷酸，并随时间的推移分析其成分的总体(代谢酶[6] )，追踪了异硫氰酸酯被转换成什么样的成分。 结果表明，异硫氰酸酯与植物体内丰富的肽谷胱甘肽结合，经过几个阶段转化为花生四烯酸物质(图2 )。 而且，在这条路径中，花生四烯酸在释放出异硫氰酸盐来源的硫原子后再生为半胱氨酸，返回谷胱甘肽后被再利用。 以上结果表明，拟南芥可以像催化剂一样活用谷胱甘肽，从1分子葡萄糖苷中至少获得2分子蛋白质来源的半胱氨酸(图2 )。
图2从葡萄糖酸盐向半胱氨酸传递硫原子的分子流动葡萄糖苷分解生成的异硫氰酸酯与谷胱甘肽结合，经过几个阶段转换为花生四烯酸。 花生四烯酸在释放异硫氰酸产生的硫原子后再生为半胱氨酸，返回谷胱甘肽后再利用。
3 .控制用于硫磺回收的葡萄糖苷分解的酶是什么？在迄今为止的实验中，我们观察了人工给予植物的葡萄糖苷的分解过程，接下来调查了拟南芥原来贮藏的葡萄糖苷作为硫营养再利用所需的基因。 着眼于BGLU28和BGLU30这种糖分解酶，明确了BGLU28具有分解葡萄糖苷的酶活性(图3A )。 这些BGLU基因不起作用的突变体在缺硫营养条件下的生长进一步下降(图3B )。调查在缺硫条件下栽培的BGLU突变体中的成分，图3A中BGLU28显示高分解活性的葡萄糖苷大部分未被分解而残留。 也就是说，可以认为，如果这些糖分解酶不工作，植物体中贮藏的葡萄糖苷酸就无法分解以回收硫营养，因此对硫不足的适应力下降。
图3从葡萄糖酸盐中回收硫相关的糖分解酶(淀粉酶)的鉴定( a ) BGLU28的葡萄糖苷分解活性。 只对特定的葡萄糖苷分子种类表现出高分解活性。( b )缺失BGLU28、BGLU30基因的突变体的形态观察。 可以看出，对硫不足条件的适应力在下降。
以上证明了陷入硫营养不足的拟南芥，具备通过分解储存的葡萄糖苷酸来弥补不足的硫原子的结构，明确了其分子机制。今后的期待葡萄糖苷是西兰花等十字花科蔬菜中含有的成分，由于已知具有促进健康的功能，因此含有大量葡萄糖苷的蔬菜的开发备受瞩目。 此次明确的葡萄糖苷分解途径，预计在拟南芥以外的十字花科植物中也是共通的。 通过抑制十字花科蔬菜所具有的分解途径，可以期待其应用于增加葡萄糖苷的技术上。植物自我分解二次代谢产物的系统，不仅是葡萄糖苷，各种各样的成分中可能都有。 迄今为止，作为调节植物中有效成分的尝试，生物合成这一“制作路径”被广泛关注。 本研究通过提示“破坏路径”的存在，期待着波及到面向物质生产控制的更多方面的方法的发展。 而且，可以认为，了解这些植物的潜力，有助于开发耐营养缺乏的植物，也有助于避免投入过多肥料的可持续农业生产。本研究成果是联合国在2016年制定的17个“可持续发展目标( SDGs ) [7]”中，对“2 .杜绝饥饿”、“3 .为所有人提供健康和福利”、“15 .也保护陆地丰富性”做出的贡献。
补充说明1 .次生代谢产物是不直接参与生物生长和生殖的成分，多具有抵御外敌等适应生存环境的生理活性。 近年来也被称为特化代谢产物( specialized metabolites )，不仅广泛存在于植物中，也广泛存在于微生物和动物中。2 .葡萄糖苷酸主要由十字花科植物生产的次生代谢产物。 也被称为芥末油甙，如果被淀粉酶这种糖酵解酶破坏，也会转化为具有防虫效果和致癌抑制作用的异硫氰酸酯(芥末油)等挥发性物质。3 .拟南芥属十字花科拟南芥属的一年生草。 约2个月更新换代，经常作为植物遗传学分析中的模型。 因为生产葡萄糖酸，所以在葡萄糖酸相关研究中特别重要。4 .同位素属于同一元素但质量数不同的原子，化学性质基本相同。 以一定比率稳定存在于自然界中的物质特别称为稳定同位素。 本研究使用了硫( 32S )的稳定同位素34S和氢( 1H )的稳定同位素2H。5 .质量分析检测向化合物附加高能量产生的离子，推测原子和分子的“质量”的分析法。 可以调查试样中含有的成分的种类、化学性质、含量等。 摄取了同位素的成分可以单独检测。6 .代谢综合征是指生物体内化学反应生成的低分子化合物的总体。 获取试样中的代谢综合征信息时特别有效的方法之一是质谱分析。7 .可持续发展目标( SDGs )2015年9月联合国峰会通过的《可持续发展2030议程》中列出的2016年至2030年国际目标。 它由实现可持续发展世界的17个目标、169个目标组成，不仅是发展中国家，也是发达国家自身努力的环球之物，作为日本也在积极努力(从外务省主页进行部分修改后转载)。
联合研究小组理化研究所环境资源科学研究中心代谢系统研究小组基础科学特别研究员(研究当时)杉山龙介(现新加坡国立大学HFSP法罗)队长平井优美(平井雅美)(质谱显微镜分析单元读取器)研修生(研究当时)莉莉( Rui Li )技术人员I桑原亚由子综合代谢综合征研究小组集团总监齐藤和季(环境资源科学研究中心中心主任)研究员(研究当时)中林亮质谱显微镜分析单元专业技术员森哲哉马克斯·普朗克植物育种学研究所研究员中野亮平波兰科学院生物有机化学研究所贝德纳雷克·巴布埃尔教授( Paweł Bednarek )东京大学农学生命科学研究科应用生命化学专业藤原彻教授助教反田直之东京农工大学全球创新研究院教授大津直子东京农工大学农学系学生(研究当时)伊藤岳大学研究支援本研究是在日本学术振兴会( JSPS )科学研究费补助金( 16H07449、18K14348、19H02859、20H04852 )、理研基础科学特别研究员制度、中国政府奖学金( 201906610013 )的支持下进行的。
原论文信息Ryosuke Sugiyama，Rui Li，Ayuko Kuwahara，Ryo Nakabayashi，Naoyuki Sotta，Tetsuya Mori，Takehiro Ito，Naoko Ohkama-Ohtsu，Tooko Ryohei Thomas Nakano，Paweł Bednarek，Masami Yokota Hirai .“将退化的自然流动用于农业系统 在国家体系结构( PNAS )，10.1073/pnas.2017890118新选项卡中打开
发表者物理化学研究所环境资源科学研究中心代谢系统研究小组基础科学特别研究员(研究当时)杉山龙介研修生(研究当时)莉莉( Rui Li )队长平井优美(平井雅美)
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