Integrative transcriptomic and metabolomic analyses provide insights into the effects of overexpression and knockout of NtLHT1 in different tissues
- 作者
- Jiaxin Xing, Wenyuan Wang, Qili Mi, Lumin Zhang, Changxin Cheng, Wenwu Yang, Li Xu, Jiarui Jiang, Haiying Xiang, Wanli Zeng, Wei He, Qian Gao
- 单位
- Technology Center, China Tobacco Yunnan Industrial Co. Ltd.; Biotechnology and Germplasm Resources Institute, Yunnan Academy of Agricultural Sciences/Yunnan Provincial Key Lab of Agricultural Biotechnology/Key Lab of Southwestern Crop Gene Resources and Germplasm Innovation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs; Honghe Prefecture Branch of Yunnan Tobacco Company; Hongyun honghe Tobacco Group Co. Ltd.; Technology Center, China Tobacco Fujian Industrial Co. Ltd.
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2026）
- DOI
- 10.3389/fpls.2026.1663088
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
NtLHT1作为关键氨基酸转运蛋白在植物营养、代谢、叶片发育和非生物胁迫耐受中发挥重要作用，但其在不同植物器官中的调控机制尚不清楚。
研究策略
利用NtLHT1敲除（LHT1-KO）、过表达（LHT1-OE）和野生型（LHT1-WT）烟草品系（cv. Honghuadajinyuan），在10叶期收集叶片、茎和根，进行RNA-seq转录组测序和UPLC-MS/MS代谢组学分析，并通过qRT-PCR验证，整合多组学数据研究器官特异性效应。
核心内容
本研究利用NtLHT1敲除、过表达和野生型三种烟草品系，在10叶期分别采集叶片、茎和根进行转录组与代谢组联合分析，系统探究该氨基酸转运蛋白在不同器官中的调控作用。主成分分析显示器官身份对代谢组和转录组的影响强于NtLHT1的遗传操作，而过表达比敲除引起更广泛的代谢和转录扰动，差异代谢物在根、茎、叶中分别达285、579和289个。在叶片中，NtLHT1过表达和敲除均显著降低总萜类含量，11个萜类合成关键结构基因下调；过表达体系中43个差异黄酮代谢物中40个下调，PAL、CHS等黄酮合成结构基因也同步下调。激素层面，过表达导致细胞分裂素相关代谢物累积而生长素和赤霉素水平降低，相应调控基因表达发生变化。结果表明NtLHT1通过调节激素稳态并抑制黄酮和萜类生物合成，以器官特异性方式重塑烟草代谢网络，为通过遗传操作改良作物农艺性状提供了潜在靶点。
创新点
首次揭示NtLHT1作为“代谢节点”整合初生代谢、次生代谢和激素信号，并系统阐明其在不同器官中的特异调控作用；发现LHT1-OE对代谢和转录组的扰动比LHT1-KO更广泛。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草（Nicotiana tabacum cv. Honghuadajinyuan） | 氨基酸转运 | NtLHT1 (Ntab0818090) | Lysine-Histidine Transporter 1 (LHT1) | 转运 | 过表达和敲除该基因，研究不同器官中的效应 |
| 烟草（Nicotiana tabacum cv. Honghuadajinyuan） | 萜类生物合成（MVA途径） | ACCT, HGMR, MVK, MVD, IDI, FPPS/GPPS | — | 催化 | MVA途径关键结构基因，在LHT1-OE/KO叶片中下调 |
| 烟草（Nicotiana tabacum cv. Honghuadajinyuan） | 萜类生物合成（MEP途径） | DXS, MCT, CMK, MDS, HDR, TPS | — | 催化 | MEP途径关键结构基因，其中TPS在LHT1-OE/KO中下调 |
| 烟草（Nicotiana tabacum cv. Honghuadajinyuan） | 黄酮生物合成 | PAL, C4H, 4CL, CHS, CHI, FLS | — | 催化 | 多数基因在LHT1-OE叶片中下调，与黄酮代谢物减少一致 |
| 烟草（Nicotiana tabacum cv. Honghuadajinyuan） | 植物激素信号（细胞分裂素） | CKX7, ZOG, LOG | — | 调控 | LHT1-OE叶片中上调，导致CTK积累 |
| 烟草（Nicotiana tabacum cv. Honghuadajinyuan） | 植物激素信号（赤霉素） | G30X.2, GID1C, GAOX1, G30X.3, GID1B, GASA6 | — | 调控 | LHT1-OE中显著上调 |
| 烟草（Nicotiana tabacum cv. Honghuadajinyuan） | 植物激素信号（生长素） | IAA13.3, PIN1.3, SAU51.2, AB19A, PIN3 | — | 调控 | 部分IAA相关基因在LHT1-KO中上调，LHT1-OE中IAA水平降低 |
| 烟草（Nicotiana tabacum cv. Honghuadajinyuan） | 乙烯信号 | ERF1, ERF3, ERF5, RAP26 | — | 调控 | 多数ERF转录因子基因在LHT1-OE/KO中下调 |
关键发现
- PCA表明器官身份对代谢组和转录组的影响强于NtLHT1遗传操作
- LHT1-OE比LHT1-KO引起更深刻的代谢和转录扰动。差异代谢物数量：根285、茎579、叶289
- 差异表达基因数量：叶OE 802/KO 990，茎OE 794/KO 711，根OE 299/KO 1841。叶片中LHT1-OE和LHT1-KO均使总萜类含量显著降低，其中ACCT、HGMR、FPPS和TPS等11个萜类合成关键结构基因下调
- LHT1-OE中43个差异黄酮代谢物中40个（93.0%）下调，多数黄酮合成结构基因（PAL、C4H、4CL、CHS、CHI、FLS）下调
- LHT1-OE叶片中细胞分裂素（CTK）相关代谢物（腺苷、S-腺苷甲硫氨酸、6-氯嘌呤、异戊烯腺嘌呤-7-N-葡萄糖苷）增加，而生长素（IAA）和赤霉素（GA）水平降低
- CTK相关基因（CKX7、ZOG、LOG）和GA相关基因（G30X、GID1C、GASA6）上调。
研究结论
NtLHT1通过调节CTK/IAA/GA激素稳态、抑制黄酮和萜类生物合成，以器官特异性方式调控烟草代谢和基因表达，为理解NtLHT1的多功能角色提供分子框架，并为通过遗传操作改良烟草及其他作物的农艺性状（如叶片大小、抗逆性）提供潜在靶点。