本网讯（通讯员 郑真真 王燃）近日，王燃博士和河南大学棉花生物学国家重点实验室苗雨晨团队合作，对烟草萜类物质合成的关键生物酶开展理性设计，构建了一整套基于蛋白结构的生物酶理性设计（理性设计：借助计算机和目前积累的对蛋白结构的认识去尝试设计改造蛋白质）的技术体系，填补了植物生物酶理性设计工程的研究空白，相关成果以 “Rational Design of Geranylgeranyl Diphosphate Synthase Enhances Carotenoid Production and Improves Photosynthetic Efficiency in Nicotiana tabacum” 为题，发表在 Science Bulletin 上。
牻牛儿基焦磷酸合酶（GGPPS）是植物萜类物质合成的关键蛋白酶，其酶活性决定各个分支萜类物质的含量。
萜类化合物是植物体内数量和结构变化最多的一类代谢物，包括单萜、倍半萜、 二萜、三萜、四萜等各种类型，广泛参与植物生长发育、光合作用、信号转导、环境适应及抗逆等各种生理过程，发挥着重要的生物学功能。
异戊烯基焦磷酸（IPP）和烯丙基异构体二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）是萜类化合物生物合成的重要前体，IPP 和 DMAPP 可以在异戊烯基焦磷酸异构酶（IDI）的作用下相互转化。IPP/DMAPP 可以通过两个途径合成， 即位于细胞质中的甲羟戊酸（MVA）途径和位于植物质体中的甲基赤藓醇 - 4 - 磷酸（MEP）途径。
NtGGPPS 是模式植物烟草中 MEP 途径中的一种关键酶，NtGGPPS1 是 NtGGPPS 最重要的家族成员，纯合 NtGGPPS1 突变体叶面积及株高显著降低，八氢番茄红素、β- 胡萝卜素、叶黄素、新黄质、紫黄质和花药黄质均显著减少。
王燃将烟草中含有的 NtGGPPS1 酶与底物进行对接，确定酶的活性口袋周围的 16 个氨基酸位点（图 a），构建单点饱和突变体库。通过高通量的细菌颜色实验进行筛选，获得 5 个可以显著提升酶活性的氨基酸位点，并进一步对以上位点进行迭代组合突变获得酶活性最高的突变体 d-NtGGPPS1（V154A/I161L/F218Y/I209S/V233E）（图 b）。
相对于 NtGGPPS1，理性设计的 d-NtGGPPS1 可以将底物 IPP 和共同底物 DMAPP 转化为 GGPP 的效率提高约 1995.5 倍，将 GPP 转化产生 GGPP 的效率提高约 25.9 或 16.7 倍。
将理性设计后的 d-NtGGPPS1 回补到 NtGGPPS1 突变体可以显著提高烟草的叶面积、株高及生物量，显著提升烟草叶片类胡萝卜素（八氢番茄红素、β- 胡萝卜素、叶黄素、新黄质、紫黄质和玉米黄质）及叶绿素（叶绿素 a 和叶绿素 b）含量，增强烟草的光合作用效率及抵抗强光逆境胁迫的能力（图 c）。
该研究表明理性设计 GGPPS 可以提升植物的产量和品质性状，为未来通过理性设计获得植物优良基因提供新的突破口。
王燃博士简介：
王燃，男，博士。2001 年 9 月，在河南大学生物生命科学学院开启本科阶段的学习，专业为生命科学，2005 年 9 月进入中国科学院遗传与发育生物学研究所进行硕博连读并获得博士学位，先在郑州烟草研究院开展植物基因功能研究工作，现就职于河南农业大学生命科学学院，主要研究方向为植物分子生物学和基因功能。
