Frontiers in Plant Science

Introduktion

Shikimatvägen är nära sammankopplad med de aromatiska aminosyrorna (L-tryptofan, L-fenylalanin och L-tyrosin) och i landväxter har den mycket höga flöden, med uppskattningar av mängden fast kol som passerar genom vägen varierande mellan 20 och 50% (Weiss, 1986; Corea et al., 2012; Maeda och Dudareva, 2012). Mycket forskningsfokus har lagts på denna väg eftersom de aromatiska aminosyrorna inte produceras av människor och monogastriska djur och därför är en viktig kostkomponent (Tzin och Galili, 2010). Dessutom är ett av enzymerna i vägen – 5-enolpyruvalshikimat-3-fosfat-syntas (EPSP) – en av de mest använda målpunkterna för herbicider (se Duke och Powles, 2008). Dessutom, som vi nyligen har beskrivit, syntetiseras växters fenoliska sekundärmetaboliter och deras prekursorer via shikimatbiosyntesvägen och dess många förgreningar (Tohge et al., 2013). Shikimatvägen är mycket bevarad och återfinns i svampar, bakterier och växtarter där den fungerar vid biosyntesen av inte bara de tre aromatiska aminosyrorna som beskrivs ovan utan också av otaliga aromatiska sekundära metaboliter som alkaloider, flavonoider, ligniner och aromatiska antibiotika. Många av dessa föreningar är bioaktiva och spelar viktiga roller i växternas försvar mot biotisk och abiotisk stress och miljöinteraktioner (Hamberger et al., 2006; Maeda och Dudareva, 2012), och som sådana är de mycket fysiologiskt viktiga. Det uppskattas att under normala förhållanden så mycket som 20 % av det totala bundna kolet flödar genom shikimatvägen (Ni et al., 1996), med ett större kolflöde genom vägen under tider av växtstress eller snabb tillväxt (Corea et al., 2012). Med tanke på dess betydelse är det kanske inte förvånande att alla medlemmar av biosyntetiska gener och motsvarande enzymer som är involverade i shikimatvägen har karakteriserats i modellväxter som Arabidopsis. Jämförelser mellan olika arter av shikimatbiosyntetiska enzymer har visat att de har sekvenslikhet, divergerande evolution och gemensamma reaktionsmekanismer (Dosselaere och Vanderleyden, 2001). Alla andra arter skiljer sig dock avsevärt från svampar som har utvecklat ett komplext system med en enda pentafunktionell polypeptid känd som AroM-komplexet som utför fem på varandra följande reaktioner (Lumsden och Coggins, 1977; Duncan et al., 1987). I denna översikt kommer vi att sammanfatta den nuvarande kunskapen om den genetiska karaktären hos denna väg med fokus på jämförelser mellan olika arter som omfattar ett brett spektrum av arter, inklusive alger (Chlamydomonas reinhardtii, Volvox carteri, Micromonas sp., Ostreococcus tauri, Ostreococcus lucimarinus), mossa (Selaginella moellendorffii, Physcomitrella patens), monokottväxter (Sorghum bicolor, Zea mays, Brachypodium distachyon, Oryza sativa ssp. japonica och Oryza sativa ssp. indica) och dikotyda arter (Vitis vinifera, Theobroma cacao, Carica papaya, Arabidopsis thaliana, Arabidopsis lyrata, Populus trichocarpa, Ricinus communis, Manihot esculenta, Malus domestica, Fragaria vesca, Glycine max, Lotus japonicus, Medicago truncatula) (tabell 1). Slutligen jämför vi och kontrasterar utvecklingen av denna väg med utvecklingen av de mer specialiserade vägarna för biosyntesen av fenylpropanoider.

Shikimatbiosyntes och fenylalaninbaserad sekundärmetabolism i växter

Med tanke på att fenoliska sekundärmetaboliter som härleds från fenylalanin via shikimatbiosyntesen är vitt spridda i växter och andra eukaryoter är gener som kodar för shikimatbiosyntetiska enzymer generellt sett mycket konserverade i naturen. Åtta respektive två reaktioner är involverade i shikimat- och fenylalaninbiosyntesen. Både medlemmar av alla genfamiljer och motsvarande biosyntetiska enzymer som är involverade i dessa vägar har karakteriserats i modellväxter som Arabidopsis (figur 1A). Fenoliska sekundärmetaboliter som härrör från fenylalanin uppvisar däremot en avsevärd artspecifik fördelning med fenoliska sekundärmetaboliter som har hittats i växtriket, t.ex. kumarinderivat, monolignal, lignin, spermidinderivat, flavonoid och tannin, och som förekommer i specifika familjer inom den gröna släkten (figur 1B). Denna mångfald har uppstått genom olika evolutionära strategier, t.ex. genduplicering och cis-regulatorisk evolution för att anpassa sig till rådande miljöförhållanden. Med tanke på deras artspecifika fördelning används de gener som är involverade i växters fenoliska sekundärmetabolism, t.ex. fenylammoniaklyas (PAL), polyketidsyntas (PKS), 2-oxoglutaratberoende deoxygenaser (2ODD) och UDP-glykosyltransferaser (UGT) ofta som fallstudier av växternas evolution (Tohge et al., 2013). Trots att shikimat-fenylalaninbiosyntetiska gener är välbevarade i alla arter, inklusive algarter, upptäcktes inte fenoliska sekundärmetabolismrelaterade ortologer i alla algarter (tabell 2, Tohge et al., 2013). Detta resultat tyder på ett betydligt äldre ursprung för shikimat-fenylalaninvägarna. I de kommande avsnitten kommer vi att diskutera utvecklingen av shikimat-fenylalaninvägarna med fokus på jämförelser mellan olika arter för varje gen som kodar för ett av de ingående enzymerna i någon av vägarna.

3-deoxy-D-arabino-heptulosonat 7-fosfat-syntas

Det första enzymatiska steget i shikimatvägen, 3-deoxy-D-arabino-heptulosonat 7-fosfat-syntas (DAHPS), katalyserar en aldolkondensation av fosfenolpyruvat (PEP) och D-erytros-4-fosfat (E4P) för att producera 3-deoxy-D-arabino-heptulosonat 7-fosfat (DAHP) (figur 1). Enligt deras proteinstruktur kan DAHPS:erna grupperas i två olika homologiklasser. De mikrobiellt härledda DAHPS-klass I innehåller en bifunktionell chorismatmutas (CM)-DAHPS-domän, och därför klassificeras mikrobiella DAHPS:er, t.ex. E. coli (AroF, G och H) och S. cerevisiae (Aro3 och 4), som DAHPS:er av klass I. Däremot trodde man tidigare att DAHPS av klass II endast fanns i växtarter, men har senare rapporterats i vissa mikrober som Streptomyces coelicolor, Streptomyces rimosus och Neurospora crassa (Bentley, 1990; Maeda och Dudareva, 2012). DAHPS- (AroA) och CM- (AroQ) aktiviteterna hos B. subtilis DAHPS är dock separerade genom domäntrunkering. Detaljerad sekvensstrukturanalys av de bakteriella AroA- och AroQ-familjerna, enzymatiska studier med det fullständiga proteinet och de trunkerade domänerna av AroA och AroQ från B. subtilis, och jämförelse med fusionsproteiner från Porphyromonas gingivalis där AroQ-domänen har fusionerats med AroA:s C-terminus, tyder på att ”återkopplingsreglering” verkligen kan vara den evolutionära länken mellan de två klasserna, som har utvecklats från en primitiv oreglerad medlem av klass II DAHPS (Wu och Woodard, 2006). Klass II växt DAHPSs har rapporterats från morotsrötter (Suzich et al., 1985) och potatiscellkultur (Pinto et al., 1986; Herrmann och Weaver, 1999). DAHPS kodas av tre gener i Arabidopsisgenomet (AtDAHPS1, AT4G39980; AtDAHPS2, At4g33510; AtDAHPS3, At1g22410). Sökförfrågningar efter ortologa gener med hjälp av Arabidopsis DAHPSs avslöjade en enda gen i alger (Chlamydomonas reinhardtii, Volvox carteri, Micromonas sp. och Ostreococcus tauri) och Lotus japonica, men två till åtta isoformer i andra högre växtarter (tabell 2). Gener av AtDAHPS1-typ och AtDAHPS2-typ uppvisar differentiellt uttryck i Arabidopsis thaliana, Solanum lycopersicum och Solanum tuberosum (Maeda och Dudareva, 2012). Gener av AtDAHPS1-typ, som dessutom är föremål för redoxreglering genom ferredoxin-thioredoxinsystemet, uppvisar betydande induktion vid sårning och patogeninfektion (Keith et al., 1991; Gorlach et al., 1995; Maeda och Dudareva, 2012), medan gener av AtDAHPS2-typ uppvisar konstitutivt uttryck (Gorlach et al., 1995). En fylogenetisk analys av DAHPS-gener avslöjar fyra huvudklasser, (i) en klad av mikrophyter, (ii) en klad av duplikationer av bryofyter, (iii) en klad av monokotyla och dikotyla vedartade arter, (iv) en AtDAHPSs-klad (figur 2Aa). Dessutom har huvudklad iv fyra undergrupper, (iv-a) AtDAHPS2-gruppen, (iv-b) monokot, (iv-c) AtDAHPS1-gruppen och (iv-d) AtDAHP3-gruppen. Detta resultat tyder på att de konstitutivt uttryckta generna av typen AtDAHPS1 och de stressreaktiva generna av typen AtDAHPS 3 uppvisar välbevarade sekvenser mellan arter (kladder iv-c och iv-d), medan de andra konstitutivt uttryckta generna av typen AtDAHPS2 är tydligt åtskilda mellan arter av monokotylväxter och dikotylväxter (kladder iv-a).

3-dehydrokinasyntas

Det andra steget i shikimatvägen katalyseras av 3-dehydrokinasyntas (DHQS), ett enzym som främjar det intramolekylära utbytet av DAHP-ringens syre med kol 7 för att omvandla DAHP till 3-dehydrokinas. Till skillnad från svampsituationen som beskrivs ovan är växternas DHQS-gen monofunktionell och finns endast som en enda kopia i alla arter med undantag för Glycine max som har två gener i sitt genom (figur 2Ab). Den fylogenetiska analysen av DHQS-gener avslöjar tre huvudklasser bestående av i) mikrophyter, ii) bryofyter, iii) monokotyler, iv) Brassicaceae och v) dikotyler. Intressant nog är genuttrycket av DHQS genen, i motsats till andra shikimat biosyntetiska gener, inte väl korrelerat med fenylpropanoidproduktionen i Arabidopsis (Hamberger et al, 2006).

3-dehydrokinatdehydratas/Shikimatdehydrogenas

3-Deoxy-D-arabino-heptulosonat 7-fosfat omvandlas till 3-dehydrokinat av det bifunktionella enzymet 3-dehydrokinatdehydratas/shikimatdehydrogenas (DHQD/SD), som katalyserar först dehydrering av DAHP till 3-dehydroshikimat och därefter den reversibla reduktionen av denna intermediär till shikimat med hjälp av NADPH som kofaktor. DHQD/SD finns i tre former: bakteriespecifika shikimatdehydrogenaser av klass I (AroE-typ), shikimat/kvinatdehydrogenaser av klass II (YdiB-typ) och shikimatdehydrogenasliknande shikimatdehydrogenas av klass III (SHD-L-typ) (Michel et al., 2003; Singh et al., 2005). I växter klass IV är den enzymatiska aktiviteten hos DHQD 10 gånger högre än SD-aktiviteten, vilket indikerar att mängden 3-dehydroshikimat kommer att vara mer än tillräcklig för att stödja flödet genom shikimatvägen (Fiedler och Schultz, 1985). Detta bifunktionella enzym spelar en viktig roll i regleringen av ämnesomsättningen i flera fenoliska sekundära ämnesomsättningsvägar (Bentley, 1990; Ding et al., 2007). I allmänhet innehåller fröväxter en enda DHQD/SD-gen som innehåller en sekvens som kodar för en plasttransitpeptid i sitt genom (Maeda et al., 2011, tabell 2). Ett undantag från detta påstående är dock Nicotiana tabacum som innehåller två gener i sitt genom. Intressant nog resulterar tystnad av NtDHD/SHD-1 i stark tillväxthämning och minskning av nivån av aromatiska aminosyror, klorogensyra och lignininnehåll (Ding et al., 2007), men en andra cytosolisk isoform kan dock kompensera för produktionen av shikimat, men inte på fenotypisk nivå. På en mer allmän basis visar fylogenetisk analys att mikrophyter också innehåller ett lågt antal DHQD/SD-gener (mellan en och två), medan en tydlig separation mellan (i) kladen av mikrophyter, (ii) kladen av bryofyter, (iii) kladen av monokotyter, (iv) kladen av vedartade arter som är specifika för tandemgenduplikation och (v) kladen av dikotyter kunde observeras (figur 2Ac; tabell 2). Intressant nog tyder observationen av den vedartade artspecifika tandemgenduplikationskladen på att dessa arter utvecklades efter DHQD/SD-genduplikationen. Den cytosoliska lokaliseringen av NtDHD/SHD-2 är fascinerande eftersom förekomsten av DAHP-syntas, ESPS-syntas och CM-isoformer som saknar N-terminala plastidriktningssekvenser har rapporterats (d’Amato, 1984; Mousdale och Coggins, 1985; Ganson et al., 1986). Dessutom tyder resultaten att både ESPS-syntas och shikimatkinas (SK) är aktiva även när de behåller sina målsekvenser (Dellacioppa et al., 1986; Schmid et al., 1992) på att de också potentiellt skulle kunna vara beståndsdelar av en cytosolisk väg. Slutligen har experiment där isolerade och mycket rena mitokondrier tillfördes 13C-märkt glukos för att undersöka bindningen av de cytosoliska isoformerna av glykolysen (Giege et al, 2003) visade också 13C-anrikning i shikimat (Sweetlove och Fernie, 2013), vilket tyder på att en fullständig cytosolisk väg sannolikt också finns i denna art.

Shikimatkinas

Den femte reaktionen i shikimatvägen katalyseras av SK, som katalyserar den ATP-beroende fosforyleringen av shikimat till shikimat-3-fospat (S3P). E. coli har två SK:er, en av klass I (AroL-typ) och en av II (AroK-typ) som delar endast 30 % sekvensidentitet (Griffin och Gasson, 1995; Whipp och Pittard, 1995; Herrmann och Weaver, 1999). Hos växter finns olika antal SK-isoformer hos flera arter; endast en hos grönalger, lycofyter och bryofyter, men mellan en och tre hos en- och tvåkönade växter (tabell 2). En fylogenetisk analys av SK-gener visar fem huvudklasser bestående av (i) mikrophyter, (ii) bryofyter, (iii) dikotyla vedartade artspecifika klader, (iv) monokotyla klader och (v) dikotyla artklader (figur 2Ad). En analys av SK-proteinet hos Spinacia olerancea visade att det moduleras av energistatus och därför liknar bakteriellt SK-protein och andra ATP-förbrukande enzymer (Pacold och Anderson, 1973; Huang et al., 1975; Schmidt et al., 1990). Av denna anledning har det nyligen postulerats att SK kan kopplas till den energikrävande shikimatvägen till den cellulära energibalansen (Maeda och Dudareva, 2012), men direkt experimentellt stöd för denna hypotes saknas för närvarande. I Arabidopsis har homologa gener vid namn SKL1 och SKL2, som är funktionellt nödvändiga för kloroplastbiogenes, visat sig ha uppstått genom SK-gendubblering (Fucile et al., 2008). SKL1- och SKL2-ortologer har hittats hos flera arter av fröväxter, men inte hos grönalger (tabell 2).

5-enolypyruvylshikimat 3-fosfat-syntas

5-enolypyruvylshikimat 3-fosfat-syntas (EPSPS, 3-fosfosfoshikimat 1-carboxyvintltransferas) är det sjätte steget och här kondenseras ett andra PEP med S3P för att bilda 5-enolypyruvylshiukimat 3-fosfat (EPSP). Eftersom EPSPS är det enda kända målet för herbiciden glyfosat (Steinrucken och Amrhein, 1980) klassificeras isoformer av detta enzym ofta enligt deras känslighet för glyfosat, glyfosatkänslig EPSPS klass I finns i bakterier och växtarter, medan glyfosatokänslig EPSPS klass II som har rapporterats i vissa bakterier som Agrobacterium (Fucile et al., 2011). I växter finns olika antal EPSPS-isoformer hos flera arter; endast en enda isoform hos grönalger, lycofyter och bryofyter, men antingen en eller två finns hos monokotyla och dikotyla arter (tabell 2). Fylogenetisk analys av EPSPS-gener visade, atypiskt för gener som är associerade med shikimatmetabolism, att fem huvudgrupper kunde observeras; (i) mikrophyter, (ii) bryofyter, (iii) Brassicaceae-specifik klad, (iv) monokotyla arter och (v) dikotyla arter (figur 2Ae). Det finns tydliga indikationer på att duplicerade EPSPS-gener i Arabidopsis, äpple, vinrankor, sojabönor och poppel är resultatet av oberoende duplikationshändelser inom deras släktskap där båda kopiorna bibehålls i Arabidopsis (Hamberger et al, 2006), men orsaken till den unika divergensen i denna gen i vägen är för närvarande oklar.

Chorismatsyntas

Chorismat, slutprodukten av shikimatvägen, bildas därefter av chorismatsyntas (CS) som katalyserar trans-1,4-eliminering av fosfat från EPSP. CS:er kategoriseras inom en av två funktionella grupper (i) bifunktionella CS:er av svamptyp som är associerade med NADPH-beroende flavinreduktas eller (ii) monofunktionella CS:er av bakterie- och planttyp (Schaller et al., 1991; Maeda och Dudareva, 2012). Den reaktion som katalyseras av CS kräver flavinmononukleotid (FMN) och dess totala reaktion är redoxneutral (Ramjee et al., 1991; Macheroux et al., 1999; Maclean och Ali, 2003). FMN representerar levererar en elektrondonator för EPSP som underlättar klyvningen av fosfat. Den första klonade CS-genen för växter var den från C. sempervirens (Schaller et al., 1991) som innehåller en enda CS i sitt genom. Med tanke på att denna gen har en 5′ signalsekvens för plastidimport tyder dessa resultat på att det inte kan finnas någon CS utanför plastiden i denna art. En undersökning av andra arter visade att en till två CS-gener fanns i grönalger, lycofyter och bryofyter samt dikotyla arter, men att en till tre CS-gener finns i arvsmassan hos äppel- och baljväxter (tabell 2). En fylogenetisk analys av CS-gener avslöjar tre huvudklasser bestående av i) mikrophyter, ii) monokotyler och iii) dikotyler (figur 2Af).

Chorismatmutas

Chorismatmutas katalyserar det första steget i biosyntesen av fenylalanin och tyrosin och utgör dessutom ett nyckelsteg i riktning mot grenuppdelningen av tryptofanbiosyntesen. CM katalyserar omvandlingen av chorismat till prefenat via en Claisen-omläggning. De bakteriella mindre CM-proteinerna (AroQ-typ, klass I CM) uppvisar monofunktionell enzymatisk aktivitet, medan flera bifunktionella CM:er som CM-PDT, CM-PDH och CM-DAHP dessutom har hittats i svampar och bakterier (klass II CM, Euverink et al., 1995; Romero et al., 1995; Chen et al., 2003; Baez-Viveros et al., 2004). Trots att endast en CM-gen finns i alger och lycophyter finns det fler genkopior (två till fem) i bryofyter samt i monokotyla och dikotyla arter (tabell 2). I fröväxter bär CM1 på en förmodad plastidtransitpeptid, men CM2 gör det inte och är dessutom vanligtvis okänslig för allosterisk reglering av aromatiska aminosyror (Benesova och Bode, 1992; Eberhard et al., 1996; Maeda och Dudareva, 2012). Flera växtarter, särskilt dikotyla växter, har ytterligare en gen från CM3-familjen som uppvisar stor sekvenslikhet med CM2 men som ändå bär på en förmodad plastidtransitpeptid. Arabidopsis har till exempel tre isozymer som heter AtCM1 (At3g29200), AtCM2 (At5g10870) och AtCM3 (At1g69370) (Mobley et al., 1999; Tzin och Galili, 2010). Den fylogenetiska analysen av CS-generna avslöjar tre huvudklasser som består av i) AtCM2-kladen, ii) kladen av mikrofyt- och bryofyter och iii) AtCM2-kladen (figur 2Ba). Dessutom visar klad iii två undergrupper, (iii-a) AtCM3-undergrupp och (iii-b) AtCM1-undergrupp (figur 2Ba) (Eberhard et al., 1996). Trots att CM2-undergruppen innehåller alla arter av fröväxter ingår monokotyla arter inte i AtCM3-undergruppen. Nyligen har CM:s betydelse utvidgats bortom den intracellulära ämnesomsättningen. I Zea mays är chorismatmutaset Cmu1 som utsöndras av Ustilago maydis, en utbredd patogen som kännetecknas av utvecklingen av stora växttumörer och som är allmänt känd som smuts, en virulensfaktor. Upptaget av Ustilagos CMu1-protein i växtceller gör det möjligt att omdirigera växtmetabolismen och förändrar cellernas metaboliska status via metabolisk priming (Djamei et al., 2011). Det visar sig nu att utsöndrade CMs finns i många växtrelaterade mikrober och denna form av värdmanipulering verkar vara ett generellt vapen i växtpatogenernas arsenal.

Prefenataminotransferas och arogenatdehydratas

Prefenataminotransferas (PAT) och arogenatdehydratas (ADT) katalyserar de sista stegen i produktionen av fenylalanin. ADT klonades först 2007 (Cho et al., 2007; Huang et al., 2010), men det är först på senare tid som PAT klonades. I artiklar som publicerades 2011 identifierades PAT i Petunia hybrid, Arabidopsis thaliana och Solanum lycopersicum (Dal Cin et al., 2011; Maeda et al., 2011) och det fastställdes att den styr kolflödet från prefenat till arogenat, men också att den är starkt och samordnat uppreglerad med gener för primärmetabolism och fenylalanin som härrör från aromavulster. I växtarter har man funnit olika antal PAT-isoformer. Även om grönalger endast innehåller enstaka PAT- och ADT-gener har monokotyla arter mellan en och två PAT-gener och mellan två och fyra ADT-gener, medan dikotyla växter innehåller samma antal PAT-gener men två till åtta ADT-gener (tabell 2). Den fylogenetiska analysen av PAT-gener visar tre huvudklasser av (i) mikrophyter, (ii) monokotylväxter och (iii) dikotylväxter (figur 2Bb).

Gener som är involverade i växters fenoliska sekundära ämnesomsättning

Fenoliska sekundära ämnesomsättningar uppvisar en enorm kemisk mångfald på grund av evolutionen av enzymatiska gener som är involverade i de olika biosyntetiska och dekorativa vägarna. En sådan variation orsakas av mångfald och redundans hos flera nyckelgener för fenolisk sekundärmetabolism, t.ex. PKS, cytokrom P450 (CYP), Fe2+/2-oxoglutaratberoende dioxygenaser (2ODD) och UDP-glykosyltransferaser (UGT). Å andra sidan finns det andra generella fenylpropanoidrelaterade biosyntetiska gener, fenylalaninammoniaklyas (PAL), cinnamat-4-hydroxylas (C4H) och 4-kumarat:koenzym A-ligas (4CL), som krävs för att differentiera olika klasser av fenolisk sekundärmetabolism. Alla dessa kärngener kodar för viktiga enzymer som aktiverar ett antal hydroxycinnaminsyror för att tillhandahålla prekursorer för biosyntesen av ligniner, monolignaler och faktiskt alla andra viktiga fenoliska sekundärmetaboliter i högre växter (Lozoya et al., 1988; Allina et al., 1998; Hu et al., 1998; Ehlting et al., 1999; Lindermayr et al., 2002; Hamberger och Hahlbrock, 2004). Eftersom fenolisk sekundärmetabolism uppvisar betydande artspecificitet används ofta undersökningar av de gener som kodar för de ansvariga biosyntetiska enzymerna som ett exempel på kemotaxonomi för att förstå växternas evolution. Med tanke på att evolutionen av dessa gener i isolering är ganska restriktivt, kan man dock få en djupare förståelse genom att kombinera detta med en undersökning av evolutionen av de biosyntetiska generna för shikimat-fenylalanin i den gröna linjen.

Slutsats

Under den långa evolutionära perioden som sträcker sig från vattenlevande alger till landväxter har växterna anpassat sig till miljönischerna med hjälp av evolutionära strategier som genduplicering och konvergerande evolution genom filtrering av det naturliga urvalet. Generna för växternas shikimatbiosyntes har utvecklats i enlighet med detta (figur 3). I denna översikt visade vi att biosyntetiska gener för primär metabolism av aromatiska aminosyror är väl bevarade mellan alger och alla landväxter. I motsats till algarter som varken har isoformer eller duplicerade gener i sina genom har alla landväxter gendubbletter, inklusive tandemgendubbletter som är särskilt framträdande i fallen DAHPS, DHQD/SD, CS, CM och ADT (figur 3A; tabell 2). Vår fylogenetiska analys avslöjade en tydlig separation mellan alger, monokottar, dikottar, vedartade arter och baljväxter. Analysen av närvaron och antalet kopior av nyckelgener mellan dessa arter ger flera tips om hur vi kan förbättra vår förståelse av den ställning från vilken dessa gener har utvecklats. Det exakta evolutionära trycket på generna för shikimatbiosyntesen, inklusive den unika förekomsten av Arom-komplexet, kommer dock att kräva ytterligare omfattande studier. Med detta sagt är det intressant att jämföra och kontrastera biosyntetiska gener med de gener som ligger nedströms dem i produktionen av växtfenoler (figur 3B). Intressant nog är generna för shikimatvägen allestädes närvarande i hela den gröna släkten, medan detta inte kan sägas om alla nedströmsgener för biosyntesen av fenylpropanoider. Dessutom finns det en mycket större gendubbling inom fenylpropanoidbiosyntesen än inom shikimatbiosyntesen (figur 3A; tabell 2). Detta faktum återspeglas också i nivån på den kemiska mångfalden i respektive vägar där shikimatvägens väsentlighet förhindrar mycket mångfald, men fenylpropanoidarter ofta är överflödiga i fråga om funktion för varandra. Det verkar troligt att fenylpropanoidbanan ursprungligen uppstod via mutationer som ackumulerades i generna för shikimatbanan. Även om dessa var potentiellt fördelaktiga i landväxter av skäl som vi diskuterar i vår senaste genomgång av dessa föreningar (Tohge et al., 2013) verkar de dock inte dela shikimatets väsentlighet över hela den gröna släktlinjen.

Intressekonfliktförklaring

Författarna förklarar att forskningen utfördes i avsaknad av kommersiella eller ekonomiska relationer som skulle kunna tolkas som en potentiell intressekonflikt.

Acknowledgments

Forskningsaktiviteten av Takayuki Tohge stöds av Alexander von Humboldt Foundation. Finansiering från Max-Planck-Society (till Takayuki Tohge, Mutsumi Watanabe, Rainer Hoefgen, Alisdair R. Fernie) är tacksamt erkänd.