现代植物酶与令人惊讶的古老蛋白质合作

来自美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家们发现，一种负责合成一种关键植物材料的蛋白质的进化比想象的要早得多。这项新的研究探索了构建木质素的生化机制的起源和进化，木质素是植物细胞壁的一种结构成分，对清洁能源工业有重大影响。

　　

来自美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的科学家们发现，一种负责合成一种关键植物材料的蛋白质的进化比想象的要早得多。这项新的研究探索了构建木质素的生化机制的起源和进化，木质素是植物细胞壁的一种结构成分，对清洁能源工业有重大影响。

当第一批陆地植物从水生环境中出现时，它们需要适应才能生存。

布鲁克海文生物系的高级科学家Chang-Jun Liu说:“木质素的出现为植物提供了结构支持，这是一个关键的进化事件，使植物能够在新的陆地环境中生存。”

了解植物如何发展保护机制，使其能够在新环境中生存是至关重要的，因为它们面临着气候变化带来的挑战。但是，寻找清洁能源选择的研究人员对木质素也很感兴趣。这种坚韧的植物材料可以加工并转化为有价值的生物产品。木质素是芳香族化合物的唯一可再生来源，芳香族化合物的化学性质与传统喷气燃料中的分子相似，可以用作航空公司的“临时”燃料。

“现代植物含有三种木质素，但大多数早期含木质素的植物只有两种。‘更新’的木质素被称为丁香基木质素，或s -木质素，”刘解释说。s -木质素在开花植物中进化较晚，结构比其他木质素成分简单。其潜在的工业应用尤其引起了科学家的注意，因为s -木质素相对容易分解为简单的芳烃。

最近发表在《植物细胞》上的这项新研究建立在多年来对木质素及其合成分子的研究基础上。2019年，刘和他的同事们发现，一种特定的细胞色素b5蛋白CB5D对于s -木质素的产生是必不可少的，而不是其他更古老的木质素类型。

“CB5D在s -木质素合成中的作用的独特性引起了我们的兴趣，”刘说。“因此，我们受到启发，进一步探索它的起源和演变。”

酶的团队合作

在之前的一项研究中，Liu的团队发现CB5D与一种叫做阿魏酸5-羟化酶(F5H)的酶有特殊的关系。这些分子一起合成了有价值的s -木质素。

科学家们知道开花植物中F5H的进化导致了s -木质素的产生。因此，他们期望发现CB5D与F5H共同进化。

为了探索他们的假设，科学家们进行了一项基因分析，以发现其他植物物种的DNA中含有与现代CB5D基因相似的基因，该基因作为组装CB5D蛋白质的指令。他们确定了21个物种，从进化上古老的到进化上最近的。然后，科学家们合成了这些基因，并在一种现代植物物种中单独表达它们，这种植物物种经过基因改造，缺乏CB5D基因。

“没有CB5D基因，这种植物只能合成少量的s -木素，”布鲁克海文博士后研究员、这篇新论文的第一作者赵先海说。“但如果其中一个相关基因的表达恢复了这种功能，那么我们就会知道该基因的功能与现代CB5D基因相似。”

科学家们发现，5亿多年前进化成早期陆地植物的绿藻物种的基因恢复了现代植物中s -木质素的合成。这表明该基因表现出cb5d型功能。科学家们还发现，这种功能在一些早期的陆地植物中是保守的，比如苔类植物和苔藓。

刘解释说:“这意味着CB5D的进化比我们预期的要早数百万年。”“发现像F5H这样的现代电子受体与一种古老的蛋白质合作，开发出合成先进木质素结构的新生化机制，真是令人惊讶。”

科学团队合作和下一步

CB5D基因和其更古老的对应基因具有相似的DNA序列和功能。但科学家们想要确保来自古老物种(如苔类)的CB5D蛋白在与现代CB5D相同的亚细胞结构中表达。

因此，他们在布鲁克海文实验室的功能纳米材料中心(美国能源部科学办公室的用户设施)使用共聚焦显微镜来证实这一点。

在现代植物中的s -木质素合成和细胞定位方面，研究小组发现了编码蛋白质类似于现代CB5D蛋白质的古老基因，他们希望更多地了解这种蛋白质的古老功能，以及它是如何随着时间的推移而变化或扩展的。

他们的分析表明，在水生藻类过渡到陆地环境之前，就出现了类似cb5d的蛋白质。由于它在早期陆地植物中是保守的，这种蛋白质可能具有一种或多种基本功能。

“像苔属这样的古代植物不含s -木质素，”赵说。“如果cb5d型蛋白质不负责合成s -木质素，那它做了什么?”

刘说:“这就是研究的美妙之处。回答一个问题会引出更多有趣的问题等着你去探索。”

这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。

布鲁克海文国家实验室是由美国能源部科学办公室支持的。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大单一支持者，正在努力解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。欲了解更多信息，请访问science.energy.gov。