Regulation of Carotenogenesis and Secondary Metabolism by Nitrogen in Wild-Type Fusarium fujikuroi and Carotenoid-Overproducing Mutants
- 作者
- Roberto Rodríguez-Ortiz, M. Carmen Limón, Javier Avalos
- 单位
- Department of Genetics, Faculty of Biology, University of Seville
- 杂志
- Applied and Environmental Microbiology（2009）
- DOI
- 10.1128/AEM.01089-08
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究氮素可利用性对野生型藤仓镰孢霉(Fusarium fujikuroi)及其类胡萝卜素超量生产突变体(carS)中类胡萝卜素生成、赤霉素和比卡维林生物合成的调控作用，并探讨CarS突变对氮调控的次级代谢网络的影响。
研究策略
在富氮和低氮培养基中培养野生型和四个carS突变株，并在氮饥饿条件下进行时间序列分析；通过HPLC测定GA3，分光光度法测定比卡维林和类胡萝卜素；利用实时定量RT-PCR分析关键基因carRA、carB、ggs1、gibA、gibB、pks4、fppS、hmgR的转录水平。
核心内容
该研究以藤仓镰孢霉野生型及其四个类胡萝卜素超量生产突变体（carS）为对象，系统考察了氮素可利用性对类胡萝卜素、赤霉素和比卡维林等次级代谢产物合成的影响。通过在富氮和低氮培养基中培养菌株，并结合氮饥饿时间序列实验，利用HPLC、分光光度法及实时定量RT-PCR分别测定了产物含量和关键基因（carRA、carB、ggs1、gibA、gibB、pks4等）的转录水平。结果发现，高氮抑制类胡萝卜素积累，野生型在低氮条件下15天产量达48 μg/g，而高氮仅为10 μg/g；氮饥饿可诱导类胡萝卜素基因表达约10倍，carS突变体在低氮中的类胡萝卜素含量约为高氮的5倍。突变体SG1比卡维林产量较野生型高20倍，但赤霉素产量降低。氮饥饿同时诱导ggs1、hmgR和fppS的表达，且carS突变体中ggs1表达水平更高。研究揭示了氮素对类胡萝卜素合成的负调控作用，并表明CarS突变不仅去抑制类胡萝卜素通路，还通过调控网络影响赤霉素和比卡维林的合成，暗示CarS可能作为转录抑制因子，将类胡萝卜素代谢与氮调控的次级代谢网络相耦联。
创新点
首次揭示氮饥饿可诱导类胡萝卜素生物合成，且类胡萝卜素去调控突变(carS)会改变赤霉素和比卡维林基因的表达模式，提示类胡萝卜素通路与氮调控的次级代谢通路间存在调控联系。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Fusarium fujikuroi (IMI58289及carS突变体SG1, SG22, SG36, SG39) | 类胡萝卜素生物合成 | carRA | CarRA | 催化 | 八氢番茄红素合酶/环化酶，催化GGPP缩合生成八氢番茄红素及后续环化 |
| Fusarium fujikuroi (IMI58289及carS突变体) | 类胡萝卜素生物合成 | carB | CarB | 催化 | 八氢番茄红素脱氢酶，催化脱氢反应 |
| Fusarium fujikuroi | 萜类前体生物合成（GGPP合成） | ggs1 | Ggs1 | 催化 | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶，可能参与类胡萝卜素合成 |
| Fusarium fujikuroi | 赤霉素生物合成 | gibA | GibA | 催化 | GGPP合成酶，位于赤霉素基因簇，受氮饥饿诱导 |
| Fusarium fujikuroi | 赤霉素生物合成 | gibB | GibB | 催化 | 双功能酶的松/kaurene合酶，催化GGPP生成kaurene |
| Fusarium fujikuroi | 比卡维林生物合成 | pks4 | Pks4 | 催化 | 聚酮合酶，催化比卡维林合成 |
| Fusarium fujikuroi | 萜类前体生物合成（FPP合成） | fppS | FppS | 催化 | 法尼基焦磷酸合成酶，合成FPP |
| Fusarium fujikuroi | 萜类前体生物合成（甲羟戊酸途径） | hmgR | HmgR | 催化 | HMG-CoA还原酶，催化甲羟戊酸合成 |
| Fusarium fujikuroi | 氮代谢调控 | areA | AreA | 调控 | 氮代谢物抑制调控蛋白，介导氮对赤霉素等合成的调控 |
关键发现
- 低氮培养基中野生型菌株15天类胡萝卜素产量为48 μg/g，而高氮中为10 μg/g，表明高氮抑制类胡萝卜素合成；carS突变体在低氮中的类胡萝卜素含量约为高氮的5倍。
- SG1突变体比卡维林产量比野生型高20倍，而GA3产量较低。
- 将菌丝从富氮培养基转至无氮葡萄糖溶液后，野生型类胡萝卜素在144h内从约0.02 mg/g增至0.15 mg/g；carS突变体增加5-10倍。
- carRA和carB mRNA在氮饥饿24h内被诱导约10倍（除SG39外）。
- 氮饥饿也诱导ggs1表达，且carS突变体中ggs1表达高于野生型，提示Ggs1参与类胡萝卜素合成。
- hmgR和fppS表达在野生型和carS中类似，但同样受氮饥饿诱导。
- 光照在富氮和氮饥饿条件下均能诱导野生型carRA和carB表达，但对carS突变体类胡萝卜素含量无显著诱导。
研究结论
氮素负调控藤仓镰孢霉的类胡萝卜素生物合成，carS突变引起类胡萝卜素通路去抑制，同时影响赤霉素和比卡维林的产生及关键基因表达，推测CarS编码的蛋白可能是一个转录抑制因子，其调控网络与氮调控次级代谢通路相关联。