棉酚生物合成途徑研究獲進展

近日，國際學術期刊《美國國家科學院院刊》（PNAS）在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所陳曉亞研究組的科研論文：《棉酚生物合成途徑解析》（Characterization of gossypol biosynthetic pathway）。該研究分離鑒定了棉酚生物合成途徑中4個新的酶基因，並從基因組水平上解釋了錦葵目植物中棉酚生物合成途徑演化的基礎，發現了中間產物的生理活性及其調控機制。

棉花是重要的經濟作物，棉纖維是紡織工業主要的天然原料，深受廣大消費者歡迎。棉纖維（皮棉）約佔籽棉重量的40%，軋花後留下的棉籽含有豐富的蛋白質和油脂，是棉花生產的重要副產品。經過工業精鍊提取的棉籽油是重要的食用植物油之一，棉籽蛋白、棉粕、棉籽殼則是飼料、食用菌培養基的重要原料。棉酚是一種次生代謝產物，在地上部分的腺體和根的表皮層中大量積累，具有保護植物抵禦病菌侵染和蟲、鼠取食的功能，但棉籽中高含量的棉酚也限制了其作為重要油料和飼料原料的廣泛應用。我國年產棉籽約600萬噸，含約150萬噸棉籽蛋白，100萬噸棉籽油，然而，這一寶貴資源至今未得到充分利用。棉籽的擴大利用和開發是棉花生產增效增收的一項主要來源。

陳曉亞領導研究組自1994年以來一直致力於棉酚生物合成途徑研究，包括酶基因克隆、代謝調控機制、抗病/抗蟲新技術等方面，創製了種子特異低酚轉基因棉花材料，發明並優化了植物介導的RNA干擾抗蟲技術，取得了一系列具有國際影響力的科研成果。棉酚是倍半萜醛衍生物，基本骨架是(+)-δ-杜松烯。研究組先後克隆鑒定了棉酚生物合成上游途徑三步連續反應，但之後的反應步驟尚不清楚。該研究通過RNA-seq篩選在有腺體棉和無腺體棉差異表達的基因，結合VIGS和代謝產物分析，先後分離了P450單加氧酶CYP82D113、CYP71BE79、雙加氧酶2-ODD1 以及醇脫氫酶DH1，通過體外酶活反應和產物結構鑒定，確定了這些酶的功能，從而將棉酚的生物合成途徑朝前推進了四個反應步驟，為全面解析棉酚生物合成途徑奠定了基礎。研究組還獲得了數個棉酚途徑中間體，均為新發現的化合物，其中一些具有顯著的生理活性，為天然產物的研發提供了新平台。

研究組研究生及工作人員田秀、阮菊新、黃金泉和楊長青等為本工作的完成做出了重要貢獻，部分工作與浙江大學教授張天真合作開展。該研究得到國家自然科學基金、中科院、科技部和農業部項目的資助。

棉酚等倍半萜醛類植保素在棉花腺體中大量積累

來源：中國科學院上海生命科學研究院

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