Taximin, a conserved plant-specific peptide is involved in the modulation of plant-specialized metabolism
- 作者
- Miriam Onrubia, Jacob Pollier, Robin Vanden Bossche, Marc Goethals, Kris Gevaert, Elisabet Moyano, Heriberto Vidal-Limon, Rosa M. Cusido, Javier Palazon, Alain Goossens
- 单位
- Departament de Ciencies Experimentals i de Salut, Universitat Pompeu Fabra, Barcelona, Spain; Department of Plant Systems Biology, VIB, Ghent, Belgium; Department of Plant Biotechnology and Bioinformatics, Ghent University, Ghent, Belgium; Department of Medical Protein Research, VIB, Ghent, Belgium; Department of Biochemistry, Ghent University, Ghent, Belgium; Secció de Fisiologia Vegetal, Facultat de Farmacia, Universitat de Barcelona, Barcelona, Spain
- 杂志
- Plant Biotechnology Journal
- DOI
- 10.1111/pbi.12205
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
鉴定并功能表征参与植物特殊代谢（尤其是紫杉醇生物合成）调控的新型小肽信号分子Taximin。
研究策略
采用cDNA-AFLP转录组分析技术，对比茉莉酸甲酯（MeJA）诱导的浆果紫杉悬浮细胞在两个培养基条件下的基因表达，鉴定差异表达基因；通过亚细胞定位、外源合成肽处理以及异源过表达等方法研究Taximin的功能。
核心内容
该研究从浆果紫杉悬浮细胞中克隆并鉴定了一种高度保守的植物特异性小肽Taximin。通过cDNA-AFLP转录组分析，对比茉莉酸甲酯（MeJA）诱导条件下两种培养基中的基因表达差异，发现该小肽由73个氨基酸组成，含27个氨基酸的信号肽和46个氨基酸的成熟肽，定位于质膜。外源添加10 μM HyproTaximin可使紫杉醇含量提高2.0倍，与100 μM MeJA联合处理时巴卡亭III和紫杉醇产量分别提高4.6和6.6倍。在烟草毛状根中过表达Taximin经MeJA诱导后，烟碱产量达6.3 mg/g DW（对照3.5 mg/g DW），烟碱积累提高3.4倍，anabasine和anatabine分别提高2.8和3.6倍，显著高于对照的1.9、2.0和1.8倍。然而在蒺藜苜蓿中该小肽对三萜皂苷代谢影响甚微，仅在MeJA处理后有10个代谢物发生显著变化。结果表明Taximin作为质膜相关信号分子，能与茉莉酸信号协同增强特定植物类群的生物碱积累，但对其他代谢途径的调控具有选择性，为药用植物代谢工程提供了新的调控靶点。
创新点
首次从红豆杉中克隆并鉴定了高度保守的植物特异性小肽Taximin；证明其定位于质膜并能与MeJA协同增强烟草毛状根中烟碱等生物碱的积累；发现其对蒺藜苜蓿的三萜皂苷代谢影响甚微，为植物特殊代谢的调控机制和代谢工程提供了新视角。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus baccata悬浮细胞 | 紫杉醇（taxane）生物合成 | Taximin（TB595） | Taximin小肽 | 调控 | MeJA强烈诱导其表达，与外源合成肽HyproTaximin处理可提高紫杉醇和巴卡亭III积累。 |
| Nicotiana tabacum毛状根 | 烟碱/吡啶生物碱生物合成 | Taximin | Taximin | 调控 | 过表达Taximin与MeJA协同增强烟碱、anabasine和anatabine积累，但不影响PMT/QPRT转录水平。 |
| Medicago truncatula毛状根 | 三萜皂苷生物合成 | Taximin | Taximin | 调控 | 过表达Taximin对皂苷代谢的总体影响很小，仅个别代谢物水平发生变化。 |
| Nicotiana benthamiana叶片（瞬时表达） | 分泌/质膜定位 | Taximin-Venus | Taximin-Venus融合蛋白 | 区室化 | 融合蛋白进入分泌系统并定位于质膜，FRAP分析显示膜结合特性。 |
| Taxus baccata悬浮细胞 | 紫杉醇生物合成（MEP途径至紫杉二烯） | TXS（taxadiene synthase） | taxadiene synthase | 催化 | 紫杉醇生物合成第一个关键酶，MeJA诱导表达。 |
| Nicotiana tabacum毛状根 | 烟碱生物合成 | PMT和QPRT | 腐胺N-甲基转移酶和喹啉酸磷酸核糖转移酶 | 催化 | MeJA诱导其转录，但Taximin过表达不改变其转录水平，提示Taximin可能不直接作用于转录。 |
关键发现
- Taximin cDNA全长472 bp，开放阅读框222 bp，编码73个氨基酸的小肽，预测含27个氨基酸的信号肽，成熟肽为46个氨基酸，含6个保守半胱氨酸、3个脯氨酸和24个疏水氨基酸。
- 外源添加10 μM HyproTaximin可使浆果紫杉悬浮细胞中巴卡亭III和紫杉醇含量分别提高1.4和2.0倍；100 μM MeJA分别提高4.0和4.7倍；两者联合处理分别提高4.6和6.6倍（第7天达到峰值）。
- 在烟草毛状根中过表达Taximin，经MeJA诱导后烟碱平均产量为6.3 mg/g DW，对照为3.5 mg/g DW；Taximin过表达系的烟碱提高3.4倍，对照为1.9倍；anabasine和anatabine分别提高2.8和3.6倍（对照为2.0和1.8倍）。MeJA可致鲜重降低约70%、干重降低约75%。
- 在蒺藜苜蓿毛状根中，标准条件下Taximin过表达仅导致1个m/z峰显著变化（降低2.6倍）；MeJA处理后有56个m/z峰显著变化（对应10个代谢物），其中1个增加2.2倍，9个降低1.2-2.3倍，包括3-Glc-malonyl-28-Glc-medicagenic acid。
- Taximin-Venus融合蛋白定位于质膜，FRAP实验显示其膜结合特性。
研究结论
Taximin是一种高度保守的植物特异性小肽，参与植物特殊代谢调控，尤其与茉莉酸信号协同增强烟草生物碱积累，但对苜蓿三萜皂苷影响较小；该小肽作为信号分子可能通过非转录水平机制发挥作用，具有用于药用植物代谢工程的潜力。