植物品种培育的关键是寻找优良基因。通过理性设计对植物关键酶进行改造，有望为植物品种培育提供新的优良基因。近日，郑州烟草研究院国家烟草基因研究中心王燃团队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的技术体系，填补了植物生物酶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。
牻牛儿牻牛儿基焦磷酸合酶（geranylgeranyl diphosphate synthase, 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。NtGGPPS1是烟草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。该研究将NtGGPPS1酶与底物进行对接，确定酶活口袋周围的16个氨基酸位点（图1a），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，进一步对以上位点进行迭代组合突变获得酶活性最高的5突变体d-NtGGPPS1 (V154A/I161L/F218Y/I209S/V233E)（图1b）。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，能够将GPP或FPP转化产生GGPP的效率提高约25.9或16.7倍。图1. 理性设计的d-NtGGPPS1能够促进烟草的生长，提升色素含量及光合作用效率。a. NtGGPPS1的酶活口袋；b. 理性设计的d-NtGGPPS1氨基酸位点；c. 转基因d-NtGGPPS1烟草的表型，色素及光合作用效率。
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1c）。该研究表明理性设计GGPPS可以提升植物的产量和品质性状，并为未来通过理性设计获得植物优良基因提供新的突破口。
