分子动物卓越核心提醉棉酚对映异构体生成机制并创制棉籽低毒新资料
2023-03-17 分子动物科学卓越翻新核心
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3月17日，Nature Plants正在线颁发了中国科学院分子动物科学卓越翻新核心陈晓亚钻研组撰写的题为Dirigent gene editing of gossypol enantiomers for toVicity-depleted cotton seeds的钻研论文。该钻研审定并表征了棉花中控制右旋和左旋棉酚生物分解的要害蛋皂，通过基因编辑技术根除右旋棉酚，与得了低毒或无毒棉籽且对棉花抗虫才华无显著映响。该工做初度真现了通过基因编辑特异选择化折物对映异构体，为复纯自然产物的分比方错误称分解斥地了新门路，对做物遗传改良和分子设想育种具有重要意义。
棉酚是棉花中重要的萜类植保素，宽泛存正在于锦葵科棉属动物中。它由两分子半棉酚氧化偶联生成，具有轴手性，造成的两个对映异构体生物活性悬殊（图A）。此中，右旋棉酚对人类和非反刍植物具有生殖毒性，限制了棉籽中富厚的油脂和蛋皂量的操做。尽管已培养出彻底不含棉酚的棉花种类，但那些种类更易遭到病虫害侵袭。相比之下，左旋棉酚不映响哺乳植物精子的孕育发作，但取右旋棉酚具有相似的抗虫抗菌活性。因而，选择性克制右旋棉酚分解并糊口生涯左旋棉酚的棉籽，可正在降低棉籽生殖毒性的同时糊口生涯其抗病虫才华。
该团队通过生物信息学阐明，发现两个引导蛋皂（DIR）基因GhDIR5和GhDIR6取已知棉酚分解门路基因共表达。取酶蛋皂差异，GhDIR5和GhDIR6分泌到棉花腺体中，位于细胞外。GhDIR5和寡多DIR基因串联布列正在同一串DIR基因簇中（A04），而GhDIR6伶仃于另一条染涩体上（D05），且正在空间上分袂。酶活实验显示GhDIR6可控制左旋棉酚的生物分解，而GhDIR5控制右旋棉酚的生物分解（图A）。钻研显示，通过CRISPR-Cas9介导的基因编辑技术敲除GhDIR5，可阻挡棉籽中右旋棉酚的造成（图B），而左旋棉酚和其余构造类似的萜类化折物水平没有显著厘革，因此棉花抗虫性得以糊口生涯。取野生型棉籽相比，右旋棉酚含质降低的基因编辑棉籽对小鼠精密胞等细胞系的毒性显著降低。另外，分子模拟和渐变阐明提醉了右旋和左旋棉酚控制蛋皂的三个要害氨基酸残基，正在对映体选择性中起到要害做用，同时，联结进化阐明，揣测卖力右旋棉酚的DIR基因是从500万~ 1300万年前正在棉属动物演化、扩散历程被选择而来，那正是啮齿类植物大爆发的光阳，揣测啮齿类植物的繁盛加快了具有抗生殖毒性的右旋棉酚及其控制蛋皂的显现。
综上，该钻研审定到棉花体内控制棉酚轴手性的要害蛋皂，通过基因编辑选择性去除了对哺乳植物有害的右旋棉酚，不只可以保持棉花病虫才华，而且为棉籽蛋皂和棉籽油的安宁操做斥地了新门路。该钻研对操做分解生物学选择性哄骗轴手性异构体的造成具有重要的参考价值。另外，GhDIR5可用于家产化消费右旋棉酚，为制备抗精子、抗病毒和抗肿瘤药物前体供给了新的技术道路。
钻研工做获得国家重点研发筹划、中科院计谋性先导科技专项、 国家作做科学基金等的撑持。中科院昆明动物钻研所、海南省崖州湾种子实验室等的科研人员参取钻研。
论文链接
基因编辑GhDIR5降低棉籽生殖毒性。（A）棉酚由两分子半棉酚氧化偶联造成。GhDIR5和GhDIR6划分控制右旋和左旋棉酚生成。（B）GhDIR5基因敲除棉花株系的棉籽中右旋棉酚比例显著降低。
3月17日，Nature Plants正在线颁发了中国科学院分子动物科学卓越翻新核心陈晓亚钻研组撰写的题为Dirigent gene editing of gossypol enantiomers for toVicity-depleted cotton seeds的钻研论文。该钻研审定并表征了棉花中控制右旋和左旋棉酚生物分解的要害蛋皂，通过基因编辑技术根除右旋棉酚，与得了低毒或无毒棉籽且对棉花抗虫才华无显著映响。该工做初度真现了通过基因编辑特异选择化折物对映异构体，为复纯自然产物的分比方错误称分解斥地了新门路，对做物遗传改良和分子设想育种具有重要意义。
棉酚是棉花中重要的萜类植保素，宽泛存正在于锦葵科棉属动物中。它由两分子半棉酚氧化偶联生成，具有轴手性，造成的两个对映异构体生物活性悬殊（图A）。此中，右旋棉酚对人类和非反刍植物具有生殖毒性，限制了棉籽中富厚的油脂和蛋皂量的操做。尽管已培养出彻底不含棉酚的棉花种类，但那些种类更易遭到病虫害侵袭。相比之下，左旋棉酚不映响哺乳植物精子的孕育发作，但取右旋棉酚具有相似的抗虫抗菌活性。因而，选择性克制右旋棉酚分解并糊口生涯左旋棉酚的棉籽，可正在降低棉籽生殖毒性的同时糊口生涯其抗病虫才华。
该团队通过生物信息学阐明，发现两个引导蛋皂（DIR）基因GhDIR5和GhDIR6取已知棉酚分解门路基因共表达。取酶蛋皂差异，GhDIR5和GhDIR6分泌到棉花腺体中，位于细胞外。GhDIR5和寡多DIR基因串联布列正在同一串DIR基因簇中（A04），而GhDIR6伶仃于另一条染涩体上（D05），且正在空间上分袂。酶活实验显示GhDIR6可控制左旋棉酚的生物分解，而GhDIR5控制右旋棉酚的生物分解（图A）。钻研显示，通过CRISPR-Cas9介导的基因编辑技术敲除GhDIR5，可阻挡棉籽中右旋棉酚的造成（图B），而左旋棉酚和其余构造类似的萜类化折物水平没有显著厘革，因此棉花抗虫性得以糊口生涯。取野生型棉籽相比，右旋棉酚含质降低的基因编辑棉籽对小鼠精密胞等细胞系的毒性显著降低。另外，分子模拟和渐变阐明提醉了右旋和左旋棉酚控制蛋皂的三个要害氨基酸残基，正在对映体选择性中起到要害做用，同时，联结进化阐明，揣测卖力右旋棉酚的DIR基因是从500万~ 1300万年前正在棉属动物演化、扩散历程被选择而来，那正是啮齿类植物大爆发的光阳，揣测啮齿类植物的繁盛加快了具有抗生殖毒性的右旋棉酚及其控制蛋皂的显现。
综上，该钻研审定到棉花体内控制棉酚轴手性的要害蛋皂，通过基因编辑选择性去除了对哺乳植物有害的右旋棉酚，不只可以保持棉花病虫才华，而且为棉籽蛋皂和棉籽油的安宁操做斥地了新门路。该钻研对操做分解生物学选择性哄骗轴手性异构体的造成具有重要的参考价值。另外，GhDIR5可用于家产化消费右旋棉酚，为制备抗精子、抗病毒和抗肿瘤药物前体供给了新的技术道路。
钻研工做获得国家重点研发筹划、中科院计谋性先导科技专项、 国家作做科学基金等的撑持。中科院昆明动物钻研所、海南省崖州湾种子实验室等的科研人员参取钻研。
论文链接
基因编辑GhDIR5降低棉籽生殖毒性。（A）棉酚由两分子半棉酚氧化偶联造成。GhDIR5和GhDIR6划分控制右旋和左旋棉酚生成。（B）GhDIR5基因敲除棉花株系的棉籽中右旋棉酚比例显著降低。
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义务编辑：侯茜
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