An unexpected hydratase synthesizes the green light-absorbing pigment fucoxanthin

岩藻黄质 三角褐指藻 生物 类胡萝卜素 硅藻 光合作用 生物化学 植物
作者
Tian‐Jun Cao,Yu Bai,Paul Buschbeck,Qiaozhu Tan,Michael Cantrell,Yinjuan Chen,Yanyou Jiang,Run-Zhou Liu,Nana K Ries,Xiaohuo Shi,Yan Sun,Maxwell A. Ware,Fenghua Yang,Huan Zhang,Jichang Han,Lihan Zhang,Jing Huang,Martin Lohr,Graham Peers,Xiaobo Li
出处
期刊:The Plant Cell [Oxford University Press]
卷期号:35 (8): 3053-3072 被引量:11
标识
DOI:10.1093/plcell/koad116
摘要

The ketocarotenoid fucoxanthin and its derivatives can absorb blue-green light enriched in marine environments. Fucoxanthin is widely adopted by phytoplankton species as a main light-harvesting pigment, in contrast to land plants that primarily employ chlorophylls. Despite its supreme abundance in the oceans, the last steps of fucoxanthin biosynthesis have remained elusive. Here, we identified the carotenoid isomerase-like protein CRTISO5 as the diatom fucoxanthin synthase that is related to the carotenoid cis-trans isomerase CRTISO from land plants but harbors unexpected enzymatic activity. A crtiso5 knockout mutant in the model diatom Phaeodactylum tricornutum completely lacked fucoxanthin and accumulated the acetylenic carotenoid phaneroxanthin. Recombinant CRTISO5 converted phaneroxanthin into fucoxanthin in vitro by hydrating its carbon-carbon triple bond, instead of functioning as an isomerase. Molecular docking and mutational analyses revealed residues essential for this activity. Furthermore, a photophysiological characterization of the crtiso5 mutant revealed a major structural and functional role of fucoxanthin in photosynthetic pigment-protein complexes of diatoms. As CRTISO5 hydrates an internal alkyne physiologically, the enzyme has unique potential for biocatalytic applications. The discovery of CRTISO5 illustrates how neofunctionalization leads to major diversification events in evolution of photosynthetic mechanisms and the prominent brown coloration of most marine photosynthetic eukaryotes.
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