西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李小波團隊在The Plant Cell在線發(fā)表了題為An unexpected hydratase synthesizes the green light-absorbing pigment fucoxanthin的最新研究論文，報道了"海洋雜色藻巖藻黃素(Fucoxanthin)生物合成途徑中末端酶，其催化了巖藻黃素中特征的酮基(keto)的產(chǎn)生"。

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論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koad116

目前已知的類胡蘿卜素(Carotenoid)化合物有750余種[1]，在自然界中廣泛分布，為鮮花、水果、蔬菜提供了豐富的色澤。類胡蘿卜素是光合生物進行光捕獲和光保護的重要基礎(chǔ)。陸地植物與海洋光合生物進行光合作用依賴的葉綠素和類胡蘿卜素截然不同。海洋環(huán)境中無論是近海岸帶，還是大洋內(nèi)部，主要分布都是藍綠光（圖1）。

圖1 大洋和海岸帶自然光穿透分布圖

(來源：Wikimeida commons)

與綠色植物相比，海洋雜色藻中積累了更多種類的類胡蘿卜素，其中巖藻黃素(fucoxanthin)最為豐富，并且以巖藻黃素-葉綠素a/c蛋白復(fù)合物(FCP, fucoxanthin chlorophyll a/c protein)的形式在藻類起著捕光天線的功能[2]。這類含有酮基的類胡蘿卜素在與光系統(tǒng)蛋白結(jié)合時表現(xiàn)出從藍色到綠色可見光區(qū)域的吸光度紅移，這導(dǎo)致相應(yīng)藻類表現(xiàn)出棕色外觀。該綠光捕捉機制若可通過合成生物學(xué)的手段移植到綠色植物中，則可能拓寬它們的捕光范圍。

近期，西湖大學(xué)李小波團隊以及合作團隊在海洋模式生物：三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)中發(fā)現(xiàn)從代謝前體新黃素(Neoxanthin)通過生物合成到巖藻黃素(Fucoxanthin)需要五個步驟，報道了合成路徑中的全新前體：allenoxanthin (聯(lián)烯黃素)、haptoxanthin (定鞭藻黃素)、phaneroxanthin(顯黃素)[3]，在本篇The Plant Cell文章中報道了巖藻黃素合成途徑中的末端酶(圖2)。

圖2 硅藻中的巖藻黃素生物合成途徑以及推測的褐藻中巖藻黃素合成途徑示意圖。

三個新中間產(chǎn)物命名者為Martin Lohr。

翻譯者為李小波。

該團隊首先通過三角褐指藻中敲除候選基因，獲得了色素突變體，確定了類胡蘿卜素異構(gòu)酶家族中CRTISO5參與了巖藻黃素生物合成通路。雖然該蛋白與陸地植物中的類胡蘿卜素順反異構(gòu)酶CRTISO序列相似，但通過氧同位素標(biāo)定實驗，CRTISO5將色素突變體中積累的底物顯黃素直接轉(zhuǎn)化為巖藻黃素，而并非作為異構(gòu)酶的功能參與到生物合成途徑中。其具有意外的水合酶活性，催化底物反應(yīng)產(chǎn)生了巖藻黃素中特有的酮基(keto)，完成了化合物從黃色到褐色的轉(zhuǎn)化。進一步通過分子對接、祖先序列分析(ASR)和點突變分析揭示了該酶活性所必需的氨基酸殘基（圖3）。

圖3

A)CRTISO5催化的水合酶反應(yīng)；

B)分子對接計算的重要氨基酸；

C)點突變分析。

CRTISO5 突變體顯黃素含量與野生型巖藻黃素含量相當(dāng)，但細胞仍然呈現(xiàn)綠色，證明了酮基的形成對綠光捕捉的重要性（圖4）。比較基因組與系統(tǒng)進化分析發(fā)現(xiàn)進化中可能存在兩種通路（圖2），硅藻中的合成通路同時具有在高光下利用硅甲藻黃素與硅藻黃素循環(huán)快速耗散光合作用過剩的能量的能力(NPQ)以及在低光下能夠積累補光色素巖藻黃素的能力。CRTISO家族中的酶功能特化影響了海洋藻類與陸地植物表現(xiàn)的色澤（圖4）。

圖4  CRTISO同源（非同功）蛋白的色素突變體表型。

A)三角褐指藻野生型以及CRTISO5突變體表型；

B）番茄野生型以及CRTISO突變體表型(來源：Isaacson, et al. 2002[4])。

西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李小波為本文的通訊作者，美國科羅拉多州立大學(xué)Graham Peers以及德國美因茨大學(xué)Martin Lohr為本文的共同通訊作者。西湖大學(xué)助理研究員曹天駿、科羅拉多州立大學(xué)博士后Yu Bai為本文的共同第一作者。此外西湖大學(xué)研究員黃晶、張驪駻；副研究員張歡；西湖大學(xué)博士生譚巧珠、楊豐華、劉潤洲、蔣彥酉；寧波大學(xué)副教授韓吉昌；寧波大學(xué)博士生孫妍；科羅拉多州立大學(xué)Michael Cantrell、Maxwell Ware；美因茨大學(xué)Paul Buschbeck、Nana Ries參與了本研究的部分工作。

本研究得到了西湖大學(xué)分子科學(xué)公共實驗平臺陳銀娟博士、施孝活博士以及西湖大學(xué)質(zhì)譜與代謝組學(xué)平臺的大力支持。本研究獲得了科技部重點研發(fā)計劃、西湖教育基金會、國家自然科學(xué)基金委、中國博士后科學(xué)基金的相關(guān)經(jīng)費支持。