Biosynthesis of biphenyl and dibenzofuran phytoalexins in Sorbus aucuparia cell cultures

Khalil, Mohammed Nabil Ahmed

Biphenyle und Dibenzofurane sind die Phytoalexine des Untertribus Pyrinae, der viele ökonomisch bedeutende Obstbäume enthält, wie z.B. Apfel und Birne. Wenig ist über die Biosynthese von diesen Phytoalexinen bekannt. In Elicitor-behandelten Sorbus aucuparia-Zellkulturen ist die Biphenyl-Synthase (BIS) für die Bildung von 3,5-Dihydroxybiphenyl zuständig. Durch Fütterungsversuche hat die vorliegende Arbeit bewiesen, dass 3,5-Dihydroxybiphenyl die Vorstufe nicht nur von den Biphenylen sondern auch den Dibenzofuranen ist. Die Umwandlung von 3,5-Dihydroxybiphenyl in Aucuparin (3,5-Dimethoxy-4-hydroxybiphenyl) wurde enthüllt. Der Verlauf der Biosynthese istO-Methylierung – 4-Hydroxylierung – O-Methylierung. Die Hydroxylierung wird von einer mikrosomalen NADPH-abhängigen Cytochrom P450-Monooxygenase katalysiert. Die Methylierungsreakionen werden von zwei unterschiedlichen Enzymen katalysiert, deren cDNAs erfolgreich isoliert und funktionell charakterisiert wurden. Die Expression und Substratspezifitäten der OMTs bestätigen die ihnen zugeordneten Funktionen. Die Homologie-Modellierung dieser beiden Enzyme bietete Einblicke in ihre einzigartigen Spezifitäten. Die vorliegende Arbeit etabliert die Grundlagen für zukünftige biochemische und molekulare Untersuchungen, die auf die Erhöhung der Erzeugung dieser Phytoalexine und demzufolge die Stärkung der natürlichen Abwehr von Pyrinae-Arten abzielen.

Biphenyls and dibenzofurans are the phytoalexins of the subtribe Pyrinae, which includes many economically important fruit trees, e.g. apple and pear. Little is known about the biosynthesis of the phytoalexins. In elicitor-treated Sorbus aucuparia cell cultures, biphenyl synthase (BIS) is responsible for formation of 3,5-dihydroxybiphenyl. Using tracer studies, the present work has proved that this compound is the precursor of not only biphenyls but also dibenzofurans. Conversion of 3,5-dihydroxybiphenyl to aucuparin (3,5-dimethoxy-4-hydroxybiphenyl) was elucidated. The sequence of the biosynthetic steps detected was O-methylation – 4-hydroxylation – O-methylation. The hydroxylation reaction is catalyzed by a microsomal NADPH-dependent cytochrome P450 monooxygenase. The methylation reactions are catalyzed by two distinct O-methyltransferases (OMTs), whose cDNAs were successfully isolated and functionally characterized. The expression profiles and substrate specificities of the OMTs confirmed the assigned functions. Homology modeling of these two enzymes provided insights into their unique specificities. The present work lays the foundation for future biochemical and molecular investigations aiming at enhancing the production of these phytoalexins and hence the natural resistance of Pyrinae species.

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Khalil, Mohammed Nabil Ahmed: Biosynthesis of biphenyl and dibenzofuran phytoalexins in Sorbus aucuparia cell cultures. 2013.

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