The non-specific lipid transfer protein McLTPII.9 of Mentha canadensis is involved in pelitate glandular trichome density and volatile compound metabolism
- 作者
- Qiutong Chen, Li Li, Xiwu Qi, Hailing Fang, Xu Yu, Yang Bai, Zequn Chen, Qun Liu, Dongmei Liu, Chengyuan Liang
- 单位
- Jiangsu Key Laboratory for the Research and Utilization of Plant Resources, Institute of Botany, Jiangsu Province and Chinese Academy of Sciences (Nanjing Botanical Garden Mem. Sun Yat-Sen), Nanjing, Jiangsu, China; College of Forestry, Nanjing Forestry University, Nanjing, Jiangsu, China
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2023）
- DOI
- 10.3389/fpls.2023.1188922
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
薄荷中非特异性脂质转移蛋白McLTPII.9的生物学功能尚不明确，本研究旨在克隆并鉴定其功能，探究其在盾状腺毛发育和挥发性萜类代谢中的作用。
研究策略
从加拿大薄荷中克隆McLTPII.9基因，通过生物信息学分析、表达模式分析、亚细胞定位、在胡椒薄荷中过表达，结合表型观察、挥发油成分分析和相关基因表达分析，揭示其功能。
核心内容
该研究从加拿大薄荷中克隆了非特异性脂质转移蛋白基因McLTPII.9，该基因编码94个氨基酸且无内含子，蛋白定位于质膜。通过在胡椒薄荷中过表达该基因，发现其显著促进盾状腺毛形成：OE1株系第一至第三叶盾状腺毛密度较野生型分别增加98%、56%和58%。挥发油分析显示OE1总挥发物峰面积从野生型的约936亿升至971亿，其中α-蒎烯峰面积在OE1中达到野生型的194%，但薄荷醇和薄荷乙酸酯含量分别降至野生型的78%和43%，而D-柠檬烯在过表达株中未能检出。基因表达分析表明，单萜合成关键基因L3OH、IPD、GPPS及腺毛发育转录因子HD-ZIP3显著上调，而柠檬烯合酶基因LS被显著抑制。这些结果说明McLTPII.9在薄荷腺毛密度和萜类代谢中发挥正向调控作用，但会重塑单萜合成通量，为薄荷遗传改良和萜类代谢工程提供了新的靶标基因。
创新点
首次克隆并鉴定薄荷中McLTPII.9基因，证明其定位于质膜，过表达可显著增加盾状腺毛密度和挥发油含量，并调节单萜合成基因和腺毛发育转录因子的表达。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Mentha canadensis | 挥发性萜类代谢/脂质转运 | McLTPII.9 | McLTPII.9 (nsLTP) | 转运 | 定位于质膜，过表达增加盾状腺毛密度和挥发油含量 |
| Mentha piperita | 单萜生物合成 | LS | limonene synthase | 催化 | 过表达McLTPII.9后表达水平显著下降 |
| Mentha piperita | 单萜生物合成 | L3OH | limonene-3-hydroxylase | 催化 | 过表达McLTPII.9后表达水平显著升高 |
| Mentha piperita | 单萜生物合成 | GPPS | geranyl diphosphate synthase | 催化 | 过表达McLTPII.9后表达水平显著升高 |
| Mentha piperita | 单萜生物合成 | IPD | transisopiperitenol dehydrogenase | 催化 | 过表达McLTPII.9后表达水平显著升高 |
| Mentha piperita | 单萜生物合成 | IPR | isopiperitenone reductase | 催化 | 表达变化不显著 |
| Mentha piperita | 单萜生物合成 | MDEH | menthone dehydrogenase | 催化 | 表达变化不显著 |
| Mentha piperita | 单萜生物合成（MEP途径） | DXS | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | 表达变化不显著 |
| Mentha piperita | 单萜生物合成 | PR | pulegone reductase | 催化 | 表达变化不显著 |
| Mentha piperita | 腺毛发育 | HD-ZIP3 | HD-ZIP IV transcription factor | 调控 | 过表达McLTPII.9后表达水平显著升高 |
| Mentha piperita | 腺毛发育 | MIXTA | R2R3-MYB transcription factor | 调控 | 表达变化不显著 |
关键发现
- McLTPII.9编码94个氨基酸，无内含子
- 过表达株OE1中第一、二、三叶盾状腺毛密度分别比野生型增加98%、56%、58%
- 总挥发物峰面积从野生型的93,581,822,733增加到OE1的97,087,222,649
- α-蒎烯峰面积在OE1中为野生型的194%（p<0.01），OE2为140%（p<0.05）
- D-柠檬烯在OE1和OE2中未检出（0**）
- 薄荷醇在OE1和OE2中分别降至野生型的78%和79%
- 薄荷乙酸酯分别降至43%和53%
- α-可帕烯分别降至74%和67%。基因表达方面，L3OH、IPD、GPPS、HD-ZIP3表达显著上调，LS表达显著下调，IPR、MDEH、DXS、PR、MIXTA变化不显著。
研究结论
McLTPII.9正调控薄荷盾状腺毛密度和单萜代谢，为薄荷育种和萜类代谢工程提供理论基础。