植物品種培育的關(guān)鍵是尋找優(yōu)良基因。通過(guò)理性設(shè)計(jì)對(duì)植物關(guān)鍵酶進(jìn)行改造，有望為植物品種培育提供新的優(yōu)良基因。近日，鄭州煙草研究院國(guó)家煙草基因研究中心王燃團(tuán)隊(duì)和河南大學(xué)棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室苗雨晨團(tuán)隊(duì)合作，對(duì)煙草萜類物質(zhì)合成的關(guān)鍵生物酶開展理性設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一整套基于蛋白結(jié)構(gòu)的生物酶理性設(shè)計(jì)的技術(shù)體系，填補(bǔ)了植物生物酶設(shè)計(jì)工程的研究空白。相關(guān)成果以“Rational Design of Geranylgeranyl Diphosphate Synthase Enhances Carotenoid Production and Improves Photosynthetic Efficiency in Nicotiana tabacum”為題，發(fā)表在Science Bulletin。
牻牛兒牻牛兒基焦磷酸合酶（geranylgeranyl diphosphate synthase, GGPPS）是植物萜類物質(zhì)合成的關(guān)鍵蛋白酶，其酶活性決定各個(gè)分支萜類物質(zhì)的含量。NtGGPPS1是煙草NtGGPPS最重要的家族成員，純合ntggpps1突變體葉面積及株高顯著降低，八氫番茄紅素、β-胡蘿卜素、葉黃素、新黃質(zhì)、紫黃質(zhì)和花藥黃質(zhì)均顯著減少。該研究將NtGGPPS1酶與底物進(jìn)行對(duì)接，確定酶活口袋周圍的16個(gè)氨基酸位點(diǎn)（圖1a），構(gòu)建單點(diǎn)飽和突變體庫(kù)。通過(guò)高通量的細(xì)菌顏色實(shí)驗(yàn)進(jìn)行篩選，獲得5個(gè)可以顯著提升酶活性的氨基酸位點(diǎn)，進(jìn)一步對(duì)以上位點(diǎn)進(jìn)行迭代組合突變獲得酶活性最高的5突變體d-NtGGPPS1 (V154A/I161L/F218Y/I209S/V233E)（圖1b）。相對(duì)于NtGGPPS1，理性設(shè)計(jì)的d-NtGGPPS1可以將底物IPP和共同底物DMAPP轉(zhuǎn)化為GGPP的效率提高約1995.5倍，能夠?qū)PP或FPP轉(zhuǎn)化產(chǎn)生GGPP的效率提高約25.9或16.7倍。圖1. 理性設(shè)計(jì)的d-NtGGPPS1能夠促進(jìn)煙草的生長(zhǎng)，提升色素含量及光合作用效率。a. NtGGPPS1的酶活口袋；b. 理性設(shè)計(jì)的d-NtGGPPS1氨基酸位點(diǎn)；c. 轉(zhuǎn)基因d-NtGGPPS1煙草的表型，色素及光合作用效率。
將理性設(shè)計(jì)后的d-NtGGPPS1回補(bǔ)到ntggpps1突變體可以顯著提高煙草的葉面積、株高及生物量，顯著提升煙草葉片類胡蘿卜素（八氫番茄紅素、β-胡蘿卜素、葉黃素、新黃質(zhì)、紫黃質(zhì)和玉米黃質(zhì)）及葉綠素（葉綠素a和葉綠素b）含量，增強(qiáng)煙草的光合作用效率及抵抗強(qiáng)光逆境脅迫的能力（圖1c）。該研究表明理性設(shè)計(jì)GGPPS可以提升植物的產(chǎn)量和品質(zhì)性狀，并為未來(lái)通過(guò)理性設(shè)計(jì)獲得植物優(yōu)良基因提供新的突破口。
