Editorial: Biosynthesis and regulation of plant specialized metabolisms
- 作者
- Weiwei Zhang, Feng Xu, Moonhyuk Kwon
- 单位
- College of Horticulture and Gardening, Yangtze University, Jingzhou, China; Division of Life Science, Anti-aging Bio Cell factory Regional Leading Research Center (ABC-RLRC), Plant Molecular Biology and Biotechnology Research Center (PMBBRC), Gyeongsang National University, Jinju, Republic of Korea
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2023）
- DOI
- 10.3389/fpls.2023.1319666
- 所属领域
- 植物次生代谢
- 关键词
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解决的核心问题
植物专性代谢物（次生代谢物）的生物合成及其复杂调控机制尚不完全清楚，需要系统解析代谢通路和调控网络。
研究策略
通过整合代谢组学、转录组学、基因过表达/沉默、异源表达等多技术手段，研究植物专性代谢物的合成途径、调控因子及环境响应机制。
核心内容
该社论整合了植物专性代谢物生物合成与调控领域的多项新进展，旨在系统解析其代谢通路和调控网络。通过代谢组学、转录组学、基因过表达/沉默及异源表达等手段，研究在多个植物体系中取得了关键发现。在芸苔属中，鉴定出四个参与芥子油苷和可溶性糖合成的结构基因及两个转录因子；在白花除虫菊中，证实转录因子TcbZIP60可直接结合TcCHS和TcAOC启动子的E-box/G-box基序并激活其表达，过表达TcbZIP60显著增加除虫菊酯积累。在环境响应方面，干旱胁迫下Ligularia fischeri中花青素和两种黄酮显著增加而咖啡酰奎宁酸减少，红光照射12小时可显著提高丙二酰大豆苷和丙二酰染料木苷水平。此外，通过在酿酒酵母中表达猫须草来源的P450酶，实现了spiroxidones的高效异源生产。这些结果揭示了植物专性代谢物合成受复杂遗传和环境信号的协同调控，为合成生物学改造和代谢工程应用提供了理论依据和潜在靶点。
创新点
本社论汇总了多项新发现：鉴定出新的结构基因和转录因子；揭示转录因子直接结合启动子基序调控除虫菊酯合成；解析干旱、盐、光照、激素等环境因素对代谢物积累的影响；利用合成生物学在异源宿主中高效生产目标代谢物。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 芸苔属植物 | 芥子油苷生物合成 | BraA05gAOP1, BraA04gAOP4 | — | 催化 | 结构基因，参与芥子油苷侧链修饰 |
| 芸苔属植物 | 可溶性糖生物合成 | BraA03gHT7, BraA01gHT4 | — | 转运 | 推测为己糖转运蛋白，参与糖转运 |
| 芸苔属植物 | 芥子油苷和可溶性糖生物合成 | BraA01gCHR11, BraA07gSCL1 | — | 调控 | 转录因子，可能调控上述结构基因表达 |
| Tanacetum cinerariifolium | 除虫菊酯生物合成 | TcCHS | 查尔酮合酶 | 催化 | 受TcbZIP60直接激活 |
| Tanacetum cinerariifolium | 除虫菊酯生物合成 | TcAOC | 丙二烯氧化物环化酶 | 催化 | 受TcbZIP60直接激活 |
| Tanacetum cinerariifolium | 除虫菊酯生物合成 | TcbZIP60 | bZIP转录因子 | 调控 | 结合E-box/G-box基序，调控萜类和JA途径 |
| Dipsacus asperoides | 三萜生物合成 | DaAACT | 乙酰-CoA乙酰转移酶 | 催化 | MeJA诱导表达上调 |
| Dipsacus asperoides | 三萜生物合成 | DaHMGCs | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶 | 催化 | MeJA诱导表达上调 |
| Dipsacus asperoides | 三萜生物合成 | DaHMGCR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | MeJA诱导表达上调 |
| Ligularia fischeri | 黄酮/花青素生物合成 | LfFNS | 黄酮合酶 | 催化 | 干旱胁迫下上调 |
| Ligularia fischeri | 花青素生物合成 | LfA5GT1 | 花青素-O-葡萄糖基转移酶 | 催化 | 干旱胁迫下上调 |
| Camellia sinensis | 咖啡因生物合成 | CsPUPs | 嘌呤通透酶 | 转运 | 异源表达验证参与咖啡因转运 |
| Saccharomyces cerevisiae | spiroxidones生物合成 | — | P450酶 | 催化 | 来自Mitragyna speciosa，异源表达实现高效生产 |
关键发现
- Wang等鉴定出4个芥子油苷和可溶性糖合成结构基因（BraA05gAOP1、BraA04gAOP4、BraA03gHT7、BraA01gHT4）和2个转录因子（BraA01gCHR11、BraA07gSCL1）
- Xu等发现TcbZIP60直接结合TcCHS和TcAOC启动子的E-box/G-box基序并激活表达，过表达TcbZIP60显著增加除虫菊酯积累，沉默则下降
- Park等在干旱胁迫下发现Ligularia fischeri中花青素和两种黄酮显著增加，而所有类型咖啡酰奎宁酸和黄酮显著减少
- Lim等发现红光照射12小时和36小时显著增加丙二酰大豆苷和丙二酰染料木苷水平，较长时间光照导致山柰酚糖苷水平更高
- Nguyen等通过在酿酒酵母中表达来自Mitragyna speciosa的P450酶实现spiroxidones的高效生产。
研究结论
植物专性代谢物的生物合成受复杂的遗传和调控网络控制，环境因子通过多种信号途径影响代谢物积累。未来应深入解析关键基因在体内外的功能，揭示不同生理和环境下代谢物的合成机制与通路，为合成生物学和代谢工程提供理论支撑。