Methyl Jasmonate-Elicited Transcriptional Responses and Pentacyclic Triterpene Biosynthesis in Sweet Basil
- 作者
- Rajesh Chandra Misra, Protiti Maiti, Chandan Singh Chanotiya, Karuna Shanker, Sumit Ghosh
- 单位
- Central Institute of Medicinal and Aromatic Plants, Lucknow 226015, India; Special Centre for Molecular Medicine, Jawaharlal Nehru University, New Delhi 110067, India
- 杂志
- Plant Physiology（2013）
- DOI
- 10.1104/pp.113.232884
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
甜罗勒中具有重要药理活性的五环三萜（熊果烷型和齐墩果烷型）生物合成途径及其调控机制尚不清楚，限制了通过代谢工程提高其产量的可能性。
研究策略
以甜罗勒为材料，通过茉莉酸甲酯（MeJA）处理构建抑制性消减杂交文库，筛选MeJA响应转录本；结合转录本和代谢物分析确定五环三萜生物合成途径的MeJA响应性；克隆两个MeJA响应的氧化鲨烯环化酶基因ObAS1和ObAS2，并在酵母中异源表达进行功能鉴定。
核心内容
该研究以甜罗勒为材料，通过茉莉酸甲酯处理构建抑制性消减杂交文库，筛选响应转录本并结合代谢物分析解析五环三萜生物合成途径。经MeJA处理后48小时，熊果酸和齐墩果酸含量分别提高2.2倍和2.6倍，共获得509个高质量EST并组装成388个unique transcripts，其中70.87%为新转录本。研究克隆了两个MeJA响应的氧化鲨烯环化酶基因ObAS1和ObAS2，酵母异源表达表明ObAS1仅产生β-香树脂醇，ObAS2为混合型香树脂醇合酶，同时催化产生α-和β-香树脂醇且比例为5:3。两个基因在叶片表皮中的表达量分别比全叶高4.1倍和3.4倍，代谢产物积累呈现组织特异性，齐墩果酸在花序中含量为根部的3.6倍，熊果酸在花序中比叶高2.7倍。结果表明MeJA通过转录重编程上调五环三萜生物合成途径，ObAS1和ObAS2是该途径的关键酶且受时空调控，为甜罗勒五环三萜代谢工程改造奠定了基础。
创新点
首次在甜罗勒中克隆并功能表征了两个MeJA响应的氧化鲨烯环化酶：ObAS1是β-香树脂醇合酶，ObAS2是混合型香树脂醇合酶（催化产生α-和β-香树脂醇，偏好α-香树脂醇）；揭示了五环三萜生物合成在甜罗勒中的时空调控和表皮细胞定位。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Ocimum basilicum | Pentacyclic triterpene biosynthesis | ObAS1 | β-amyrin synthase | 催化 | MeJA响应，催化2,3-氧化鲨烯生成β-香树脂醇 |
| Ocimum basilicum | Pentacyclic triterpene biosynthesis | ObAS2 | Mixed-function amyrin synthase | 催化 | MeJA响应，产生α-香树脂醇和β-香树脂醇（5:3），偏好α-香树脂醇 |
| Saccharomyces cerevisiae | Heterologous expression of plant oxidosqualene cyclase | ObAS1 | β-amyrin synthase | 催化 | 在BY4741菌株中异源表达验证功能，仅产生β-香树脂醇 |
| Saccharomyces cerevisiae | Heterologous expression of plant oxidosqualene cyclase | ObAS2 | Mixed-function amyrin synthase | 催化 | 在BY4741菌株中异源表达验证功能，同时产生α-和β-香树脂醇 |
| Ocimum basilicum | Terpenoid backbone biosynthesis (MVA pathway) | ObMU14 (mevalonate kinase) | Mevalonate kinase | 催化 | MeJA响应，参与甲羟戊酸途径 |
| Ocimum basilicum | Pentacyclic triterpene biosynthesis | ObCYP1/ObCYP2/ObCYP3 (CYP716A subfamily) | Cytochrome P450 monooxygenase | 催化 | MeJA响应，推测参与三萜骨架的氧化修饰 |
| Ocimum basilicum | Jasmonic acid biosynthesis | Lipoxygenase, C-acyltransferase, oxidase | Various enzymes | 催化 | MeJA正反馈调控自身生物合成 |
| Ocimum basilicum | Transcriptional regulation of secondary metabolism | AP2/ERF, WRKY, PHD, Zinc finger transcription factors | Transcription factors | 调控 | MeJA响应的转录调控因子，可能参与次生代谢调控 |
关键发现
- 经MeJA处理的甜罗勒中，共获得509个高质量EST（平均长度481.59 bp，GC含量43.92%），组装成388个unique transcripts，其中70.87%为甜罗勒新转录本。MeJA处理后48 h，熊果酸和齐墩果酸含量分别提高2.2倍和2.6倍。ObAS1和ObAS2分别编码761和765个氨基酸的蛋白（分子量87.73 kD和87.49 kD），在酵母中异源表达显示ObAS1仅产生β-香树脂醇，ObAS2同时产生α-香树脂醇和β-香树脂醇，比例为5:3。ObAS1和ObAS2在叶片表皮中的表达量分别比全叶高4.1倍和3.4倍。齐墩果酸在花序中的积累量是根部的3.6倍，老叶中的含量比最幼叶高1.8-3.5倍
- 熊果酸在花序中的含量比叶高2.7倍，在最幼叶中最高。
研究结论
MeJA通过转录重编程上调甜罗勒中多种次生代谢途径，特别是五环三萜生物合成途径。ObAS1（β-香树脂醇合酶）和ObAS2（混合型香树脂醇合酶）是甜罗勒中齐墩果酸和熊果酸生物合成的关键酶，其表达和代谢产物积累呈现组织特异性及叶片发育阶段依赖性，表明该途径受到时空调控。这些发现为甜罗勒五环三萜代谢工程改造奠定了基础。