Genetic and physiological requirements for high-level sesquiterpene-production in tomato glandular trichomes
- 作者
- Ruy W. J. Kortbeek, Marc D. Galland, Aleksandra Muras, Rodrigo Therezan, Sofia Maia, Michel A. Haring, Robert C. Schuurink, Petra M. Bleeker
- 单位
- Green Life Science Research Cluster, Swammerdam Institute for Life Sciences, University of Amsterdam, Amsterdam, Netherlands
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2023）
- DOI
- 10.3389/fpls.2023.1139274
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
解析野生番茄Solanum habrochaites PI127826的VI型腺毛中高水平倍半萜（7-epizingiberene）生产的遗传和生理基础，探讨栽培番茄中转移该性状的瓶颈。
研究策略
构建栽培番茄与S. habrochaites PI127826的种间F1和F2群体，筛选含有7-epizingiberene合成基因（zFPS、ZIS、ShZO）的个体；分析萜类代谢物含量、毛状体密度、腺体储藏腔体积；通过抑制剂处理（fosmidomycin和mevastatin）解析MEP/MVA途径贡献；利用分离的腺毛分泌细胞进行mRNA测序比较基因表达。
核心内容
本研究以野生番茄Solanum habrochaites PI127826为材料，通过构建其与栽培番茄的种间F1和F2群体，系统解析了VI型腺毛高水平倍半萜（7-epizingiberene）生产的遗传与生理基础。研究发现，PI127826叶片总萜含量约176 ng/mg FW，而栽培番茄仅1.6 ng/mg，F1为12.3 ng/mg；F2群体中仅约3%个体达到亲本水平，分离比符合两个隐性加两个显性位点模型，表明该性状为多基因隐性遗传。单腺体分析显示，PI127826的萜含量约为栽培番茄的35倍（17.7 vs 0.51 ng/gland），且毛状体密度与萜类总量无显著相关性。通过fosmidomycin和mevastatin抑制剂处理证实，MEP途径是前体供应的主导途径：抑制MEP后腺体萜含量下降98%，同时储藏腔体积缩小95%，表明储藏腔的扩充依赖于代谢产物的积累而非预定的形态特征。转录组分析显示活性F2个体中MEP途径基因显著高表达，如zFPS较NDPS1高20倍。该研究揭示了高水平萜类生产需要多个野生番茄隐性等位基因的协同作用，为向栽培番茄转移该性状提供了遗传设计依据。
创新点
揭示了高水平萜类产生是多基因隐性性状，且与毛状体密度独立分离；证明MEP途径是番茄VI型腺毛中前体供应的主要途径；发现储藏腔体积并非预定特征，而是由腺细胞代谢活性决定。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Solanum habrochaites PI127826 | 倍半萜生物合成 (Z,Z-FPP途径) | ShzFPS | zFPS (Z-farnesyl diphosphate synthase) | 催化 | 将IPP/DMAPP缩合为Z,Z-FPP，为7-epizingiberene提供前体 |
| Solanum habrochaites PI127826 | 倍半萜生物合成 | ShZIS | 7-epizingiberene synthase (ZIS) | 催化 | 以Z,Z-FPP为底物生成7-epizingiberene和R-curcumene |
| Solanum habrochaites PI127826 | 倍半萜衍生物氧化 | ShZO | 7-epizingiberene oxidase (细胞色素P450) | 催化 | 氧化7-epizingiberene生成9-羟基-zingiberene和9-羟基-10,11-环氧zingiberene |
| Solanum lycopersicum | 单萜生物合成 | NDPS1 | neryl diphosphate synthase 1 | 催化 | 合成NPP，为单萜前体 |
| Solanum lycopersicum | 单萜生物合成 | PHS1/TPS20 | phellandrene synthase 1 | 催化 | 利用NPP生成β-phellandrene等单萜 |
| 番茄腺毛分泌细胞 | MEP途径 | DXS2 | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase | 催化 | MEP途径第一个关键酶，在活性F2中表达上调2倍 |
| 番茄腺毛分泌细胞 | MEP途径 | HDR | (E)-4-hydroxy-3-methylbut-2-enyl diphosphate reductase | 催化 | MEP途径末端酶，在活性F2中表达上调3倍 |
| 番茄腺毛分泌细胞 | MEP途径 | HDS | (E)-4-hydroxy-3-methylbut-2-enyl diphosphate synthase | 催化 | 在活性F2中表达上调2倍 |
| 番茄腺毛分泌细胞 | MEP途径 | IDI1 | isopentenyl diphosphate isomerase | 催化 | 在活性F2中表达上调4倍 |
| 番茄腺毛分泌细胞 | MVA途径 | HMGR3 | 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase | 催化 | MVA途径限速酶，表达上调19倍但整体水平低于MEP途径 |
| 番茄腺毛分泌细胞 | MVA途径 | AACT3 | acetyl-CoA C-acetyltransferase | 催化 | 表达上调23倍 |
| 番茄腺毛分泌细胞 | MVA途径 | PMK | phosphomevalonate kinase | 催化 | 表达上调30倍 |
| 番茄腺毛分泌细胞 | 萜类生物合成调控 | SCL3 | SCARECROW-like transcription factor | 调控 | 调控DXS2表达，在活性F2中表达高2倍 |
| 番茄腺毛分泌细胞 | 萜类生物合成调控 | MIXTA-like | MIXTA-like transcription factor | 调控 | 在活性F2中表达高2倍，可能与毛状体发育相关 |
关键发现
- PI127826叶片总萜含量约176 ng/mg FW（7epiZ 70 ng/mg，9HZ 12 ng/mg，9H10epoZ 10 ng/mg）；栽培番茄仅1.6 ng/mg，F1为12.3 ng/mg（7epiZ
- 1 ng/mg）。F2群体中仅12/392（约3%）的个体达到亲本PI127826的7epiZ水平，分离比符合1:32，拟合两个隐性+两个显性位点模型。毛状体密度与萜类总量无显著线性相关（r²=0.015，p=0.25）。单腺体萜含量：栽培番茄0.51 ng/gland，PI127826
- 7 ng/gland（约35倍），F1
- 9 ng/gland，F2范围0.05-21.5 ng/gland。储藏腔体积：lazy F2为0.7-4 pL，active F2为14-22 pL。fosmidomycin处理后PI127826腺体萜含量降低98%（12.3→0.21 ng/gland），储藏腔体积降低95%（25.0→1.2 pL）；活性F2-73中质体萜类降低98%（5.5→0.12 ng/gland），胞质萜类降低99%（1.4→未检出）。mevastatin对活性腺体无显著影响。转录组显示MEP途径基因在活性F2-28中显著高表达：zFPS比NDPS1高20倍，IDI1高4倍，HDR高3倍，HDS高2倍，DXS2高2倍；MVA途径整体表达低，但AACT3高23倍、HMGR3高19倍、PMK高30倍。转录因子SCL3和MIXTA-like表达高2倍。
研究结论
野生番茄VI型腺毛的高水平萜类生产是多基因隐性性状，需要多个来自S. habrochaites的隐性等位基因；MEP途径是前体供应的主导途径，其高活性驱动质体和胞质中萜类的大量合成；腺毛储藏腔的扩充取决于代谢产物积累，而非预定的形态学特征。