Spearmint R2R3-MYB transcription factor MsMYB negatively regulates monoterpene production and suppresses the expression of geranyl diphosphate synthase large subunit (MsGPPS.LSU)
- 作者
- Vaishnavi Amarr Reddy, Qian Wang, Niha Dhar, Nadimuthu Kumar, Prasanna Nori Venkatesh, Chakravarthy Rajan, Deepa Panicker, Vishweshwaran Sridhar, Hui-Zhu Mao, Rajani Sarojam
- 单位
- Temasek Life Sciences Laboratory, National University of Singapore; Department of Biological Sciences, National University of Singapore
- 杂志
- Plant Biotechnology Journal（2017）
- DOI
- 10.1111/pbi.12701
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析留兰香（Mentha spicata）腺毛中单萜生物合成的转录调控机制，鉴定新型负调控因子及其靶基因。
研究策略
基于比较转录组鉴定PGT特异R2R3-MYB（MsMYB），通过RNAi与过表达、GC-MS代谢谱分析、酵母单杂交、瞬时表达和异源表达等手段研究其对萜类代谢的调控功能。
核心内容
该研究从留兰香（Mentha spicata）peltate glandular trichomes（PGT）中鉴定出一个R2R3-MYB转录因子MsMYB，并揭示其作为单萜生物合成的负调控因子的功能。通过比较转录组锁定候选基因后，采用RNAi沉默和过表达实验，结合GC-MS代谢谱分析，发现沉默MsMYB使柠檬烯和香芹酮产量提高2.3至4.5倍，而过表达则使产量下降约0.5至0.7倍。酵母单杂交和瞬时表达实验证实MsMYB直接结合并抑制香叶基二磷酸合酶大亚基基因MsGPPS.LSU的启动子。暗处理显著降低MsGPPS.LSU转录本，提示该调控可能受光信号影响。在甜罗勒中异源表达MsMYB使总萜烯含量降低73%至85%，单萜和倍半萜均下降，但苯丙烷代谢物如eugenol和类黄酮不受影响；在烟草中使二萜CBT-diol含量降低42%至50%。MsMYB开放阅读框长813 bp，编码271个氨基酸，定位于细胞核；小RNA测序显示miR858在PGT中低表达且未检测到其剪切产物。该研究首次报道R2R3-MYB转录因子负调控单萜生物合成，且其调控具有萜类途径特异性，为萜类代谢工程提供了新的负调控靶点。
创新点
首次报道R2R3-MYB转录因子参与单萜生物合成的负调控；证实MsMYB直接结合并抑制MsGPPS.LSU启动子；发现该调控不影响苯丙烷代谢且不受miR858调控。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Mentha spicata | 单萜生物合成 | MsMYB | MsMYB (R2R3-MYB transcription factor) | 调控 | PGT特异表达，负调控单萜合成，结合并抑制MsGPPS.LSU启动子 |
| Mentha spicata | 类异戊二烯前体合成（MEP途径） | MsGPPS.LSU | Geranyl diphosphate synthase large subunit | 催化 | 合成GPP，是单萜前体；被MsMYB负调控；定位于叶绿体 |
| Ocimum basilicum | 单萜和倍半萜生物合成 | ObGPPS.LSU | ObGPPS.LSU (geranyl diphosphate synthase large subunit homolog) | 催化 | 异源表达MsMYB后其转录水平显著降低，总萜烯减少73-85%，苯丙烷代谢未受影响 |
| Ocimum basilicum | 倍半萜生物合成 | ObFPPS | Farnesyl diphosphate synthase | 催化 | MsMYB表达对其无显著影响 |
| Nicotiana sylvestris | 二萜生物合成（CBT-diol） | MsMYB | MsMYB | 调控 | 异源表达导致CBT-diol减少42-50% |
| Nicotiana benthamiana | 瞬时表达系统 | MsMYB | MsMYB | 调控 | 核定位；瞬时表达显著抑制MsGPPS.LSU启动子活性 |
关键发现
- MsMYB在留兰香peltate glandular trichomes（PGT）中高表达，RNAi沉默导致单萜（柠檬烯和香芹酮）产量提高2.3-4.5倍，过表达则使产量下降0.5-0.7倍。酵母单杂交和瞬时表达表明MsMYB直接结合并抑制MsGPPS.LSU启动子。在甜罗勒中异源表达MsMYB使总萜烯含量降低73-85%（单萜和倍半萜均下降），但eugenol和类黄酮含量不变
- 在烟草中使CBT-diol（二萜）含量降低42-50%。暗处理显著降低MsGPPS.LSU转录本。MsMYB ORF长813 bp，编码271个氨基酸，核定位
- MsGPPS.LSU定位于叶绿体。小RNA测序显示miR858在PGT中低表达，且未检测到MsMYB的miR858剪切产物。
研究结论
MsMYB是首个从留兰香中鉴定到的调控单萜生物合成的R2R3-MYB转录因子，通过抑制MsGPPS.LSU表达负调控单萜产量；异源表达可影响其他植物的萜类代谢但不影响苯丙烷途径，表明其在萜类代谢工程中具有应用潜力。