Science Advances | 加州大学河滨分校研究揭示酵母和细菌共同合成植物激素以控制杂草！

植物利用激素来调节它们的生长和发育，其中包括一组被称为独脚金内酯的激素，它们可以防止过度的发芽和分枝。独脚金内酯还帮助植物根部与微生物形成共生关系，使植物能够从土壤中吸收养分（Plant Cell | 荷兰瓦赫宁根大学研究揭示磷感应蛋白调节丛枝菌根共生的机制！）。这两个因素使农业界对使用独脚金内酯来控制杂草和根部寄生生物的生长，以及改善养分吸收产生了兴趣。这些根外化合物并不是没有风险的。它们也会刺激寄生杂草的发芽，这可能会导致整个粮食作物的失败，因此在进行商业开发之前必须进行彻底的研究。科学家们仍在了解这组多样化的激素在植物中发挥的生理作用。直到最近，为科学研究而制造纯的独脚金内酯一直很困难，而且成本太高，不适合农业使用。

2021年9月17日，由加州大学河滨分校李嫣然和新加坡国立大学的周康团队的科学家们首次从微生物中合成了独脚金内酯。科研人员将与生产独脚金内酯相关的植物基因插入普通面包酵母和非致病性大肠杆菌中，共同生产一系列独脚金内酯。这项工作发表在国际权威学术期刊Science Advances上，题为Establishment of strigolactone-producing bacterium-yeast consortium的研究论文。该工作为研究独脚金内酯的生物合成和进化提供了一个独特的平台，它为开发独脚金内酯微生物生产过程作为替代来源奠定了基础。

从酵母中生产独脚金内酯被证明是非常具有挑战性的。尽管已知工程酵母可以修改被称为己内酯的独脚金内酯前体，但它无法用研究人员使用的任何特定基因合成己内酯。无论在酵母中如何尝试把关酶DWRF27都没有用。此前，科研人员开发了一种微生物联合体技术来生产紫杉醇前体，这启发了这次奇妙的合作。

该团队转向了大肠杆菌，它已经被证明有能力生产己内酯。然而，它生产的己内酯是不稳定的，不能被工程大肠杆菌进一步改造成任何杂环内酯。科研人员设法优化并稳定了己内酯的前体。令人高兴的是，当酵母和细菌在同一培养基中一起培养时，大肠杆菌和酵母作为一个团队工作。大肠杆菌制造己内酯，而酵母则将其转化为各种最终的独脚金内酯产物。该方法还产生了足够的独脚金内酯来提取和研究。利用这个平台，该团队鉴定了多种独脚金内酯生物合成酶的功能，显示出甜橙和葡萄有可能合成列当醇型独脚金内酯。

该团队还设计了微生物代谢，将独脚金内酯的产量提高了三倍，达到每升47微克，足以进行科学研究。尽管离商业化生产独脚金内酯还有很长的路要走，但从酵母-细菌联合体中生物合成它们的新方法将帮助科学家更多地了解这组重要的植物激素，特别是所涉及的酶。酶是蛋白质催化剂，负责由酵母对己内酯进行改性。由于己内酯不稳定，所以不能从商业来源购买。因此，许多植物科学家难以研究可能发挥作用的新酶，将己内酯转化为独脚金内酯。新的酵母-细菌共培养为科学家完成此类工作提供了一种方便的方法，因为细菌在原地制造己内酯。随着更多酶的发现和微生物联合体的优化，将来可以大量制造独脚金内酯。

图1. 在工程大肠杆菌-酵母混合培养中模仿植物的独脚金内酯途径分布

图2. 大肠杆菌中CL的生产

图3. 使用大肠杆菌-酵母共培养物生产CLA和三种典型的独脚金内酯

图4. CYP722C的系统发育分析和功能图谱

图5. 路径工程化和工艺优化提高了5DS的滴度

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