AtMYB12 regulates caffeoyl quinic acid and flavonol synthesis in tomato: expression in fruit results in very high levels of both types of polyphenol
- 作者
- Jie Luo, Eugenio Butelli, Lionel Hill, Adrian Parr, Ricarda Niggeweg, Paul Bailey, Bernd Weisshaar, Cathie Martin
- 单位
- John Innes Centre, Norwich Research Park, Colney, Norwich, NR4 7UH, UK; China-UK HUST-RReS Genetic Engineering and Genomics Joint Laboratory, College of Life Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430073, China; Institute of Food Research, Norwich Research Park, Cotney, Norwich, NR4 7UA, UK; Department of Biology, Bielefeld University, Chair of Genome Research (Lehrstuhl für Genomforschung), D-33594 Bielefeld, Germany
- 杂志
- The Plant Journal（2008）
- DOI
- 10.1111/j.1365-313X.2008.03597.x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在不影响番茄生长和产量的前提下，通过单个转录因子同时大幅提高番茄果实中黄酮醇和咖啡酰奎尼酸两类多酚的积累，从而增强果实的抗氧化能力
研究策略
利用果实特异性E8启动子在番茄果实中异源表达拟南芥转录因子AtMYB12，激活苯丙烷代谢途径中多个结构基因（PAL、C4H、4CL、CHS、CHI、F3H、F3'H、FLS、GT、RT、C3H、HCT、HQT等）的表达，从而同时提高黄酮醇和CQA的合成；同时在烟草中组成型表达验证其效应，并克隆番茄内源同源基因SIMYB12研究其功能
核心内容
该研究利用果实特异性E8启动子在番茄中异源表达拟南芥转录因子AtMYB12，同时激活苯丙烷代谢途径中多个结构基因，目的为在不影响生长和产量的前提下大幅提高果实中黄酮醇和咖啡酰奎尼酸两类多酚的积累。在烟草中组成型表达验证了其效应，并克隆了番茄内源同源基因SIMYB12。结果显示，在番茄MicroTom背景中，果实黄酮醇含量超过72 mg/g干重（为对照65倍），CQA总量超过15 mg/g干重（为对照22倍），总多酚占果实干重约10%；转基因番茄水溶性抗氧化能力提高最高5倍。AtMYB12在番茄中诱导PAL、CHS、GT表达超过100倍。内源SIMYB12在果实发育早期表达与多酚积累相关。该研究表明AtMYB12在不同植物中靶基因特异性存在差异，在番茄中能同时激活两条合成途径，为利用转录因子提高食品中健康活性物质含量提供了有效策略，也提示代谢工程中需考虑转录因子跨物种的靶基因特异性差异。
创新点
1. 发现AtMYB12在不同植物中的靶基因特异性存在差异，在番茄中能同时激活CQA和黄酮醇两条合成途径；2. 在番茄果实中创造了多酚积累的极高水平（黄酮醇达72 mg/g DW，CQA达15 mg/g DW，总多酚占果实干重约10%）；3. 克隆了番茄内源的MYB12同源基因SIMYB12，并证明其可能同时调控CQA和黄酮醇合成；4. 利用果实特异性启动子避免了组成型表达对生长的影响
研究对象（18）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草、番茄 | 苯丙烷代谢（调控黄酮醇和CQA合成） | AtMYB12 | AtMYB12 | 调控 | 拟南芥转录因子，在番茄中可同时激活黄酮醇和CQA合成 |
| 番茄 | 苯丙烷代谢（调控黄酮醇和CQA合成） | SIMYB12 | SIMYB12 | 调控 | 番茄内源MYB12同源基因，可能同时调控CQA和黄酮醇合成 |
| 烟草、番茄 | 苯丙烷代谢 | PAL | PAL | 催化 | 在番茄中被诱导超过100倍，是苯丙烷代谢关键限速酶 |
| 番茄 | 苯丙烷代谢 | C4H | C4H | 催化 | 肉桂酸4-羟化酶，在番茄中被AtMYB12诱导 |
| 番茄 | 苯丙烷代谢 | 4CL | 4CL | 催化 | 4-羟基肉桂酰CoA连接酶，在番茄中被AtMYB12诱导 |
| 烟草、番茄 | 黄酮醇生物合成 | CHS | CHS | 催化 | 查尔酮合酶，在番茄中被诱导超过100倍 |
| 烟草、番茄 | 黄酮醇生物合成 | CHI | CHI | 催化 | 查尔酮异构酶，在番茄中被诱导50-100倍 |
| 番茄 | 黄酮醇生物合成 | F3H | F3H | 催化 | 黄烷酮-3-羟化酶，在番茄中被诱导 |
| 番茄 | 黄酮醇生物合成 | F3'H | F3'H | 催化 | 类黄酮-3'-羟化酶，负责槲皮素的合成，被AtMYB12诱导 |
| 番茄 | 黄酮醇生物合成 | F3'5'H | F3'5'H | 催化 | 类黄酮-3',5'-羟化酶，在AtMYB12果实中未被上调 |
| 烟草、番茄 | 黄酮醇生物合成 | FLS | FLS | 催化 | 黄酮醇合酶，在烟草和番茄中均被诱导 |
| 番茄 | 花青素生物合成 | DFR | DFR | 催化 | 二氢黄酮醇还原酶，在AtMYB12果实中未被上调 |
| 番茄 | 花青素生物合成 | ANS | ANS | 催化 | 花青素合酶，在番茄中被诱导50-100倍 |
| 番茄 | 黄酮醇糖基化 | GT | GT | 催化 | 黄酮醇-3-葡萄糖基转移酶，在番茄中被诱导超过100倍 |
| 番茄 | 黄酮醇糖基化 | RT | RT | 催化 | 黄酮醇-3-葡萄糖苷鼠李糖基转移酶，在番茄中被诱导 |
| 番茄 | 咖啡酰奎尼酸生物合成 | C3H | C3H | 催化 | 对香豆酰酯3-羟化酶，在番茄中被诱导50-100倍 |
| 番茄 | 咖啡酰奎尼酸生物合成 | HCT | HCT | 催化 | 肉桂酰CoA莽草酸/奎宁酸转移酶，在番茄中被诱导 |
| 烟草、番茄 | 咖啡酰奎尼酸生物合成 | HQT | HQT | 催化 | 羟基肉桂酰CoA奎宁酸转移酶，在烟草中未被诱导，但在番茄中被诱导 |
关键发现
- 在烟草中，AtMYB12表达使叶片芦丁含量增加46倍（22.1 mg/g DW），山奈酚芸香苷增加83倍（19.2 mg/g DW），CGA增加2倍至36.2 mg/g DW，总多酚超过77.5 mg/g DW
- 在番茄MicroTom背景中，果实中CQA总量超过15 mg/g DW（为对照22倍），黄酮醇超过72 mg/g DW（为对照65倍），Money Maker背景中CQA超过3 mg/g DW、黄酮醇超过48 mg/g DW
- 转基因番茄水溶性抗氧化能力（TEAC）提高最高5倍
- AtMYB12在番茄中诱导PAL、CHS、GT表达超过100倍，CHI、ANS、C3H表达50-100倍
- 多酚在烟草叶片中达到干重8%，番茄果实中达到干重10%
- 内源SIMYB12在果实发育早期表达与CQA和黄酮醇积累相关
研究结论
AtMYB12作为转录因子在番茄中具有广泛的靶基因特异性，能够同时激活黄酮醇和CQA两条合成途径，果实特异性表达可产生极高水平的多种多酚抗氧化剂，且不影响果实生长。该研究为利用转录因子提高食品中健康活性物质含量提供了策略，并提示在代谢工程中需考虑转录因子在不同物种间的靶基因特异性差异