Dissection of the general two-step di-C-glycosylation pathway for the biosynthesis of (iso)schaftosides in higher plants

生物合成 糖基转移酶 糖基化 生物化学 苷元 生物 转移酶 类黄酮生物合成 代谢途径 化学 转录组 糖苷 基因 立体化学 基因表达
作者
Zilong Wang,Hao-Meng Gao,Shuang Wang,Meng Zhang,Kuan Chen,Yaqun Zhang,Haidong Wang,Bo-Yun Han,Lulu Xu,Tianqiao Song,Cai‐Hong Yun,Xue Qiao,Min Ye
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:117 (48): 30816-30823 被引量:119
标识
DOI:10.1073/pnas.2012745117
摘要

Schaftoside and isoschaftoside are bioactive natural products widely distributed in higher plants including cereal crops and medicinal herbs. Their biosynthesis may be related with plant defense. However, little is known on the glycosylation biosynthetic pathway of these flavonoid di-C-glycosides with different sugar residues. Herein, we report that the biosynthesis of (iso)schaftosides is sequentially catalyzed by two C-glycosyltransferases (CGTs), i.e., CGTa for C-glucosylation of the 2-hydroxyflavanone aglycone and CGTb for C-arabinosylation of the mono-C-glucoside. The two enzymes of the same plant exhibit high homology but remarkably different sugar acceptor and donor selectivities. A total of 14 CGTa and CGTb enzymes were cloned and characterized from seven dicot and monocot plants, including Scutellaria baicalensis, Glycyrrhiza uralensis, Oryza sativa ssp. japonica, and Zea mays, and the in vivo functions for three enzymes were verified by RNA interference and overexpression. Through transcriptome analysis, we found homologous genes in 119 other plants, indicating this pathway is general for the biosynthesis of (iso)schaftosides. Furthermore, we resolved the crystal structures of five CGTs and realized the functional switch of SbCGTb to SbCGTa by structural analysis and mutagenesis of key amino acids. The CGT enzymes discovered in this paper allow efficient synthesis of (iso)schaftosides, and the general glycosylation pathway presents a platform to study the chemical defense mechanisms of higher plants.
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