The bHLH Transcription Factors TSAR1 and TSAR2 Regulate Triterpene Saponin Biosynthesis in Medicago truncatula
- 作者
- Jan Mertens, Jacob Pollier, Robin Vanden Bossche, Irene Lopez-Vidriero, José Manuel Franco-Zorrilla, Alain Goossens
- 单位
- Department of Plant Systems Biology, VIB, B-9052 Ghent, Belgium; Department of Plant Biotechnology and Bioinformatics, Ghent University, B-9052 Ghent, Belgium; Genomics Unit, Centro Nacional de Biotecnologia-Consejo Superior de Investigaciones Cientificas, 28049 Madrid, Spain
- 杂志
- Plant Physiology（2017）
- DOI
- 10.1104/pp.15.01645
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
三萜皂苷生物合成途径中调控相关基因表达的转录因子未知，特别缺乏茉莉酸信号下游的特异性调控因子。
研究策略
利用共表达分析筛选候选转录因子，通过烟草原生质体瞬时表达分析、酵母单杂交和蛋白质结合微阵列验证调控机制，并在蒺藜苜蓿毛状根中过表达和敲低验证功能。
核心内容
本研究通过共表达分析从蒺藜苜蓿中鉴定出两个bHLH IVa亚家族转录因子TSAR1和TSAR2，并对其在三萜皂苷生物合成中的调控功能进行了系统解析。利用烟草原生质体瞬时表达、酵母单杂交和蛋白质结合微阵列实验，证实二者直接结合靶基因启动子中的N-box元件；在苜蓿毛状根中的过表达和敲低实验进一步验证了其体内功能。结果表明，TSAR1和TSAR2分别特异性调控三萜皂苷的非溶血性和溶血性分支：TSAR1使非溶血性大豆皂苷I等积累增加3至9倍，TSAR2使溶血性皂苷含量提升超过10倍，其中TSAR2过表达令CYP716A12转录水平提高超过150倍。两因子均能激活甲羟戊酸途径全部基因，但不影响甾醇合成。该发现首次揭示了茉莉酸信号下游特异性调控三萜皂苷分支合成的转录因子，为三萜皂苷的代谢工程改造提供了明确靶点。
创新点
首次鉴定bHLH IVa亚家族转录因子TSAR1和TSAR2，分别特异性调控三萜皂苷生物合成的非溶血性和溶血性分支，并证明其直接结合HMGR1启动子中的N-box。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 蒺藜苜蓿 | 三萜皂苷生物合成 | TSAR1 (Medtr7g080780) | TSAR1 | 调控 | bHLH IVa亚家族转录因子，主要调控非溶血性大豆皂苷合成 |
| 蒺藜苜蓿 | 三萜皂苷生物合成 | TSAR2 (Medtr4g066460) | TSAR2 | 调控 | bHLH IVa亚家族转录因子，主要调控溶血性皂苷合成 |
| 蒺藜苜蓿 | 甲羟戊酸途径 | HMGR1 (Medtr5g026500) | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 甲羟戊酸途径限速酶，被TSARs直接调控 |
| 蒺藜苜蓿 | 三萜皂苷生物合成 | MKB1 | MAKIBISHI1 | 调控 | RING型E3泛素连接酶，靶向HMGR1进行内质网相关降解 |
| 蒺藜苜蓿 | 三萜皂苷生物合成 | BAS (Medtr4g005190) | β-香树素合成酶 | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯环化形成β-amyrin |
| 蒺藜苜蓿 | 三萜皂苷生物合成 | CYP93E2 (Medtr7g056103) | CYP93E2 | 催化 | 细胞色素P450，催化β-amyrin C-24羟基化，非溶血性分支 |
| 蒺藜苜蓿 | 三萜皂苷生物合成 | CYP72A61v2 (Medtr4g031820) | CYP72A61v2 | 催化 | 细胞色素P450，催化C-22氧化，非溶血性分支 |
| 蒺藜苜蓿 | 三萜皂苷生物合成 | CYP716A12 (Medtr8g100135) | CYP716A12 | 催化 | 细胞色素P450，催化β-amyrin C-28氧化，溶血性分支 |
| 蒺藜苜蓿 | 三萜皂苷生物合成 | CYP72A67 (Medtr2g023680) | CYP72A67 | 催化 | 细胞色素P450，催化C-2氧化，溶血性分支 |
| 蒺藜苜蓿 | 三萜皂苷生物合成 | CYP72A68v2 (Medtr2g055470) | CYP72A68v2 | 催化 | 细胞色素P450，催化C-23氧化，溶血性分支 |
| 蒺藜苜蓿 | 三萜皂苷生物合成 | UGT73K1 (Medtr4g031800) | UGT73K1 | 催化 | UDP-糖基转移酶，主要参与非溶血性皂苷糖基化 |
| 蒺藜苜蓿 | 三萜皂苷生物合成 | UGT73F3 (Medtr2g035020) | UGT73F3 | 催化 | UDP-糖基转移酶，参与皂苷糖基化 |
关键发现
- TSAR1和TSAR2在烟草原生质体中分别使HMGR1启动子活性提高9倍和28倍
- TSAR1可反式激活非溶血性分支P450基因CYP93E2（39倍）和CYP72A61v2（14倍），TSAR2激活能力较弱（8倍和3倍）
- TSAR1过表达使非溶血性大豆皂苷I、Rha-Gal-GlcA-大豆皂苷E等积累增加3-9倍，TSAR2过表达使溶血性皂苷（如3-Glc-丙二酰-28-Glc-medicagenic acid）增加超过10倍
- TSAR2过表达使CYP716A12转录水平提高超过150倍
- TSAR1敲低使MKB1、HMGR1、CYP93E2、UGT73F3和UGT73K1转录水平降至对照的20%-70%
- RNA-seq显示TSAR1和TSAR2过表达分别影响859和845个基因表达，二者均激活甲羟戊酸途径全部基因但不影响甾醇合成基因，且TSAR1上调9S-脂氧合酶等基因。
研究结论
TSAR1和TSAR2是茉莉酸信号通路中调控三萜皂苷生物合成的关键转录因子，分别控制非溶血性和溶血性皂苷分支，直接结合N-box激活靶基因，可作为三萜皂苷代谢工程的潜在靶点。