Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Đặc điểm hóa các enzyme decarboxylase tryptophan ở lúa và vai trò trực tiếp của chúng trong quá trình sinh tổng hợp serotonin ở lúa biến đổi gen
Tóm tắt
Enzyme l-Tryptophan decarboxylase (TDC) và l-tyrosine decarboxylase (TYDC) thuộc một họ các enzyme decarboxylase l-amino acid thơm và xúc tác quá trình chuyển đổi tryptophan và tyrosine thành tryptamine và tyramine, tương ứng. Gen của lúa đã được chứng minh là chứa bảy gen giống TDC hoặc TYDC. Ba trong số các gen này, mà cDNA không qua được, đã được định hình chức năng thông qua việc biểu hiện dị hợp trong Escherichia coli và lúa (Oryza sativa cv. Dongjin). Sản phẩm tinh khiết của hai trong số các gen này được biểu hiện trong E. coli và cho thấy hoạt tính TDC, trong khi gen còn lại không thể được biểu hiện trong E. coli. Protein TDC tái tổ hợp với hoạt tính TDC cao nhất cho thấy K\n m là 0.69 mM đối với tryptophan, và hoạt tính của nó không bị ức chế bởi phenylalanine hoặc tyrosine, chỉ ra mức độ đặc hiệu chất nền cao đối với tryptophan. Biểu hiện ectopic của ba cDNA trong lúa dẫn đến sản xuất phong phú các sản phẩm của enzyme được mã hóa, bao gồm tyramine và tryptamine. Việc sản xuất quá mức TYDC dẫn đến sự kém phát triển và thiếu hụt sản xuất hạt do sự tích tụ của tyramine, tăng lên khi cây già đi. Ngược lại, các cây chuyển gen sản xuất TDC cho thấy kiểu hình bình thường và chứa serotonin gấp 25 lần và gấp 11 lần cao hơn trong lá và hạt, tương ứng, so với các cây kiểu hoang dã. Việc sản xuất quá mức tyramine hoặc serotonin không có mối liên hệ mạnh mẽ với việc tăng cường tổng hợp các dẫn xuất của tyramine hoặc serotonin, chẳng hạn như feruloyltyramine và feruloylserotonin, là những chất chuyển hóa thứ cấp hoạt động như phytoalexins trong thực vật.
Từ khóa
#l-Tryptophan decarboxylase #l-Tyrosine decarboxylase #Oryza sativa #serotonin biosynthesis #transgenic riceTài liệu tham khảo
Back K, Yin S, Chappell J (1994) Expression of a plant sesquiterpene cyclase gene in Escherichia coli. Arch Biochem Biophys 315:527–532
Berlin J, Rugenhagen C, Dietze P, Fecker LF, Goddijn OJM, Hoge JHC (1993) Increased production of serotonin by suspension and root cultures of Peganum harmala transformed with a tryptophan decarboxylase cDNA clone from Catharanthus roseus. Transgenic Res 2:336–344
Christou P, Barton KA (1989) Cytokinin antagonist activity of substituted phenethylamines in plant cell culture. Plant Physiol 89:564–568
Clarke DD (1982) The accumulation of cinnamic acid amides in the cell walls of potato tissue as an early response to fungal attacks. In: Wood RKS (ed) Active defense mechanisms in plants. Plenum, New York, pp 321–332
De Luca V, Marineau C, Brisson N (1989) Molecular cloning and analysis of cDNA encoding a plant tryptophan decarboxylase: comparison with animal dopa decarboxylase. Proc Natl Acad Sci USA 86:2582–2586
Facchini PJ, De Luca V (1994) Differential and tissue-specific expression of a gene family for tyrosine/dopa decarboxylase in opium poppy. J Biol Chem 269:26684–26690
Facchini PJ, Yu M, Penzes-Yost C (1999) Decreased cell wall digestibility in canola transformed with chimeric tyrosine decarboxylase genes from opium poppy. Plant Physiol 120:653–664
Facchini PJ, Huber-Allanach KL, Tari LW (2000) Plant aromatic l-amino acid decarboxylases: evolution, biochemistry, regulation, and metabolic engineering applications. Phytochemistry 54:121–138
Fiore SD, Li Q, Leech MJ, Schuster F, Emans N, Fischer R, Schillberg S (2002) Targeting tryptophan decarboxylase to selected subcellular compartments of tobacco plants affects enzyme stability and in vivo function and leads to a lesion-mimic phenotype. Plant Physiol 129:1160–1169
Furutani I, Sukegawa S, Kyozuka J (2006) Genome-wide analysis of spatial and temporal gene expression in rice panicle development. Plant J 46:503–511
Gibson RA, Barret G, Wightman F (1972) Biosynthesis and metabolism of indole-3yl-acetic acid. III. Partial purification and properties of a tryptamine-forming l-tryptophan decarboxylase from tomato shoots. J Exp Bot 23:775–786
Grandmaison J, Olah GM, Van Calsteren MR, Furlan V (1993) Characterization and localization of plant phenolics likely involved in the pathogen resistance expressed by endomycorrhizal roots. Mycorrhiza 3:155–164
Guillet G, De Luca V (2005) Wound-inducible biosynthesis of phytoalexin hydroxycinnamic acid amides of tyramine in tryptophan and tyrosine decarboxylase transgenic tobacco lines. Plant Physiol 137:692–699
Guillet G, Poupart J, Basurco J, De Luca V (2000) Expression of tryptophan decarboxylase and tyrosine decarboxylase genes in tobacco results in altered biochemical and physiological phenotypes. Plant Physiol 122:933–943
Jang SM, Ishihara A, Back K (2004) Production of coumaroylserotonin and feruloylserotonin in transgenic rice expressing pepper hydroxycinnamoyl-coenzyme A: serotonin N-(hydroxycinnamoyl)transferase. Plant Physiol 135:346–356
Kaminaga Y, Schnepp J, Peel G, Kish CM, Ben-Nissan G, Weiss D, Orlova I, Lavie O, Rhodes D, Wood K, Porterfield DM, Cooper AJL, Schloss JV, Pichersky E, Vainstein A, Dudareva N (2006) Plant phenylacetaldehyde synthase is a bifunctional homotetrameric enzyme that catalyzes phenylalanine decarboxylase and oxidation. J Biol Chem 281:23357–23366
Kang K, Jang SM, Kang S, Back K (2005) Enhanced neutraceutical serotonin derivatives of rice by hydroxycinnamoyl-CoA: serotonin N-(hydroxycinnamoyl)transferase. Plant Sci 168:783–788
Kang S, Kang K, Chung GC, Choi D, Ishihara A, Lee DS, Back K (2006) Functional analysis of the amine substrate specificity domain of pepper tyramine and serotonin N-hydroxycinnamoyltransferases. Plant Physiol 140:704–715
Kang S, Kang K, Lee K, Back K (2007) Characterization of tryptamine 5-hydroxylase and serotonin synthesis in rice plants. Plant Cell Rep DOI 10.1007/s00299-007-0405-9
Kawalleck P, Keller H, Hahlbrock K, Scheel D, Somssich IE (1993) A pathogen-responsive gene of parsley encodes tyrosine decarboxylase. J Biol Chem 268:2189–2194
Lee HJ, Lee SB, Chung JS, Han SU, Han O, Guh JO, Jeon JS, An G, Back K (2000) Transgenic rice plants expressing a Bacillus subtilis protoporphyrinogen oxidase gene are resistant to diphenyl ether herbicide oxyfluorfen. Plant Cell Physiol 41:743–749
Lee DE, Kang K, Lee SG, Back K (2007) Enhanced synthesis of feruloyltyramine and 4-coumaroyltyramine is associated with tyramine availability in transgenic rice expressing pepper tyramine N-hydroxycinnamoyltransferase. Plant Sci 172:57–63
López-Meyse M, Nessler CL (1997) Tryptophan decarboxylase is encoded by two autonomously regulated genes in Camptotheca acuminate which are differentially expressed during development and stress. Plant J 11:1167–1175
Mathis JR, Back K, Starks C, Noel J, Poulter CD, Chappell J (1997) Pre-steady-state study of recombinant sesquiterpene cyclases. Biochemistry 36:8340–8348
Matsuda F, Miyagawa H, Ueno T (2000) β-1,3-Glucooligosaccharide induced activation of four enzymes responsible for N-p-coumaroyloctopamine biosynthesis in potato (Solanum tuberosum cv.) tuber tissue. Z Naturforsch 55c:373–382
Murch SJ, Campbell SSB, Saxena P (2001) The role of serotonin and melatonin in plant morphogenesis: regulation of auxin-induced root organogenesis in in vitro-cultured explants of St. John’s wort (Hypericum perforatum L.). In Vitro Cell Dev Biol Plant 37:786–793
Negrel J, Lherminier J (1987) Peroxidase-mediated integration of tyramine into xylem cell walls of tobacco leaves. Planta 172:494–501
Negrel J, Javelle F, Paynot M (1993) Biochemical basis of resistance of tobacco callus tissue cultures to hydroxyphenylethylamines. Plant Physiol 103:329–334
Noé W, Mollenschott C, Berlin J (1984) Tryptophan decarboxylase from Catharanthus roseus cell suspension cultures: purification, molecular and kinetic data of the homogenous protein. Plant Mol Biol 3:281–288
Odjakova M, Hadjiivanova C (1997) Animal neurotransmitter substances in plants. Bulg J Plant Physiol 23:94–102
Ohyanagi H, Tanaka T, Sakai H, Shigemoto Y, Yamaguchi K, Habara T, Fujii Y, Antonio BA, Nagamura Y, Imanishi T, Ikeo K, Itoh T, Gojobori T, Sasaki T (2006) The rice annotation project database (RAP-DB): hub for Oryza sativa spp. japonica genome information. Nucleic Acids Res 34:D741–D744
Qu LQ, Takaiwa F (2004) Evaluation of tissue specificity and expression strength of rice seed component gene promoters in transgenic rice. Plant Biotechnol J 2:113–125
Schröder P, Abele C, Gohr P, Stuhlfauth-Roisch U, Grosse W (1999) Latest on the enzymology of serotonin biosynthesis in walnut seeds. Adv Exp Med Biol 467:637–644
Tanaka E, Tanaka C, Mori N, Kuwahara Y, Tsuda M (2003) Phenylpropanoid amides of serotonin accumulate in witches’ broom diseased bamboo. Phytochemistry 64:965–969
Ueno M, Shibata H, Kihara J, Hnda Y, Arase S (2003) Increased tryptophan decarboxylase and monoamine oxidase activities induce Sekiguchi lesion formation in rice infected with Magnaporthe grisea. Plant J 36:215–228
Yamazaki Y, Sudo H, Yamazaki M, Aimi N, Saito K (2003) Camptothecin biosynthesis genes in hairy roots of Ophiorrhiza pumila: cloning, characterization and differential expression in tissues and by stress compounds. Plant Cell Physiol 44:395–403
Yao K, De Luca V, Brisson N (1995) Creation of a metabolic sink for tryptophan alters the phenylpropanoid pathway and the susceptibility of potato to Phytophthora infestans. Plant Cell 7:1787–1799
Yu J, Hu S, Wang J, Wong GK, Li S, Liu B, Deng Y, Dai L, Zhou Y, Zhang X, et al (2002) A draft sequence of the rice genome (Oryza sativa L. ssp. indica). Science 296:79–92