Overexpression of Terpenoid Biosynthesis Genes From Garden Sage (Salvia officinalis) Modulates Rhizobia Interaction and Nodulation in Soybean
- 作者
- Mohammed Ali, Long Miao, Qiuqiang Hou, Doaa B. Darwish, Salma Saleh Alrdae, Ahmed Ali, Vagner A. Benedito, Million Tadege, Xiaobo Wang, Jian Zhao
- 单位
- Egyptian Deserts Gene Bank, North Sinai Research Station, Department of Genetic Resources, Desert Research Center, Cairo, Egypt; College of Agronomy, Anhui Agricultural University, Hefei, China; National Key Lab of Crop Genetic Improvement, Huazhong Agricultural University, Wuhan, China; Department of Biology, Faculty of Science, University of Tabuk, Tabuk, Saudi Arabia; Department of Plant Agricultural, Faculty of Agriculture Science, Al-Azhar University, Assiut, Egypt; Plant and Soil Sciences Division, Davis College of Agriculture, Natural Resources, and Design, West Virginia University, Morgantown, WV, United States; Department of Plant and Soil Sciences, Institute for Agricultural Biosciences, Oklahoma State University, Ardmore, OK, United States; State Key Laboratory of Tea Plant Biology and Utilization, College of Tea and Food Science and Technology, Anhui Agricultural University, Hefei, China
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2021）
- DOI
- 10.3389/fpls.2021.783269
- 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
豆科植物中萜类化合物及萜烯生物合成基因对根瘤形成的影响尚不清楚，特别是萜类与独脚金内酯（SLs）生物合成及结瘤信号通路的调控关系亟待阐明。
研究策略
从药用鼠尾草（Salvia officinalis）克隆六个萜类生物合成基因（SoTPS6、SoNEOD、SoLINS、SoSABS、SoGPS、SoCINS），通过发根农杆菌介导在大豆毛状根中过表达，比较转基因根与GUS对照的根生长、结瘤表型，利用qRT-PCR分析SL生物合成及结瘤信号基因的表达，并用GC-MS检测转基因根中的萜类产物。
核心内容
该研究从药用鼠尾草克隆了六个萜类生物合成基因（SoTPS6、SoNEOD、SoLINS、SoSABS、SoGPS、SoCINS），通过发根农杆菌介导在大豆毛状根中过表达，系统考察其对根生长、结瘤及独脚金内酯（SL）和结瘤信号通路的影响。GC-MS检测显示，过表达SoTPS6的根中倍半萜含量最高达11.78%，过表达SoCINS则产生最高二萜（11.05%）。接种根瘤菌10天后，过表达SoTPS6、SoNEOD和SoCINS显著增加结瘤数和瘤鲜重，而SoCINS和SoSABS抑制根生长并延迟结瘤；20天后SoCINS、SoSABS和SoGPS显著增加瘤鲜重。qRT-PCR表明SoNEOD过表达显著上调GmMAX1α、GmMAX2、GmMAX3、GmNINα、GmNSP1α及GmDMI2/3等SL合成与结瘤信号关键基因，SoLINS则使GmMAX4α表达最高。结果表明萜类基因通过影响SL等萜类激素的合成或信号传导，在大豆根发育和结瘤中发挥差异化调控作用，为通过代谢工程改良豆科作物结瘤能力提供了新思路。
创新点
首次系统研究了萜类生物合成基因对豆科植物结瘤的影响；揭示萜类化合物与独脚金内酯及结瘤信号通路之间存在上位效应；为通过代谢工程改良豆科作物结瘤能力提供了新思路。
研究对象（23）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 大豆 (Glycine max) | 萜类生物合成 | SoTPS6 | (-)-愈创木烯D合酶 (germacrene D synthase) | 催化 | 编码倍半萜合酶，过表达导致倍半萜积累 |
| 大豆 (Glycine max) | 萜类生物合成 | SoNEOD | (+)-新薄荷醇脱氢酶 (neomenthol dehydrogenase) | 催化 | 参与单萜氧化还原，过表达上调多个SL和结瘤基因 |
| 大豆 (Glycine max) | 萜类生物合成 | SoLINS | (3S)-芳樟醇合酶 (linalool synthase) | 催化 | 单萜合酶，20天后增加结瘤数但低于对照 |
| 大豆 (Glycine max) | 萜类生物合成 | SoSABS | 桧烯合酶 (sabinene synthase) | 催化 | 单萜合酶，10天时抑制结瘤，20天时瘤鲜重显著增加 |
| 大豆 (Glycine max) | 萜类生物合成 | SoGPS | 牻牛儿基二磷酸合酶 (geranyl diphosphate synthase) | 催化 | 催化GPP合成，影响单萜和二萜前体供应 |
| 大豆 (Glycine max) | 萜类生物合成 | SoCINS | 1,8-桉叶素合酶 (1,8-cineole synthase) | 催化 | 单萜合酶，10天时抑制根生长，20天时瘤鲜重显著增加 |
| 大豆 (Glycine max) | 独脚金内酯生物合成 | GmMAX1α | 类胡萝卜素裂解双加氧酶 | 催化 | SL合成关键酶，SoNEOD过表达时表达最高 |
| 大豆 (Glycine max) | 独脚金内酯生物合成 | GmMAX1β | 类胡萝卜素裂解双加氧酶 | 催化 | SL合成关键酶，SoNEOD过表达时表达最高 |
| 大豆 (Glycine max) | 独脚金内酯信号传导 | GmMAX2 | F-box蛋白 | 调控 | SL信号受体组件，参与SL感知 |
| 大豆 (Glycine max) | 独脚金内酯生物合成 | GmMAX3 | 类胡萝卜素裂解双加氧酶 | 催化 | SL合成关键酶 |
| 大豆 (Glycine max) | 独脚金内酯生物合成 | GmMAX4α | 类胡萝卜素裂解双加氧酶 | 催化 | SL合成关键酶 |
| 大豆 (Glycine max) | 独脚金内酯生物合成 | GmMAX4β | 类胡萝卜素裂解双加氧酶 | 催化 | SL合成关键酶 |
| 大豆 (Glycine max) | 结瘤信号通路 | GmNINα | NIN转录因子 | 调控 | 结瘤起始的关键调控因子 |
| 大豆 (Glycine max) | 结瘤信号通路 | GmNINβ | NIN转录因子 | 调控 | 结瘤起始的关键调控因子 |
| 大豆 (Glycine max) | 结瘤信号通路 | GmNRF5 | Nod因子受体 | 调控 | 识别根瘤菌Nod因子，启动信号转导 |
| 大豆 (Glycine max) | 结瘤信号通路 | GmNSP1α | GRAS转录因子 | 调控 | 参与Nod因子信号下游调控 |
| 大豆 (Glycine max) | 结瘤信号通路 | GmNSP1β | GRAS转录因子 | 调控 | 参与Nod因子信号下游调控 |
| 大豆 (Glycine max) | 结瘤信号通路 | GmNSP2α | GRAS转录因子 | 调控 | 参与Nod因子信号下游调控 |
| 大豆 (Glycine max) | 结瘤信号通路 | GmNSP2β | GRAS转录因子 | 调控 | 参与Nod因子信号下游调控 |
| 大豆 (Glycine max) | 结瘤信号通路 | GmDMI2α | 受体样激酶 | 调控 | Nod因子信号转导所需 |
| 大豆 (Glycine max) | 结瘤信号通路 | GmDMI2β | 受体样激酶 | 调控 | Nod因子信号转导所需 |
| 大豆 (Glycine max) | 结瘤信号通路 | GmDMI3α | 钙/钙调素依赖性蛋白激酶 | 调控 | Nod因子信号转导所需 |
| 大豆 (Glycine max) | 结瘤信号通路 | GmDMI3β | 钙/钙调素依赖性蛋白激酶 | 调控 | Nod因子信号转导所需 |
关键发现
- 过表达SoTPS6的转基因大豆毛状根中倍半萜含量最高（11.78%），单萜10.78%，二萜10.17%
- 过表达SoCINS的根中二萜最高（11.05%），单萜10.16%，倍半萜7.19%
- 过表达SoGPS产生单萜3.04%、倍半萜1.39%、二萜0.43%
- 过表达SoSABS产生单萜5.0%、倍半萜0.93%
- 过表达SoNEOD产生单萜3.13%、三萜0.45%。在接种根瘤菌10天后，过表达SoTPS6、SoNEOD和SoCINS显著增加了结瘤数和瘤鲜重，而过表达SoCINS和SoSABS则减少根生长并延迟结瘤
- 20天后，过表达SoLINS和SoSABS的根瘤数和根长较10天时增加，但仍低于GUS对照，而过表达SoCINS、SoSABS和SoGPS显著增加了瘤鲜重。基因表达分析显示，过表达SoNEOD显著上调了GmMAX1α、GmMAX1β、GmMAX2、GmMAX3、GmMAX4β、GmNINα、GmNINβ、GmNRF5、GmNSP1α、GmNSP2α、GmNSP2β、GmDMI2α、GmDMI2β、GmDMI3α和GmDMI3β等SL合成与结瘤信号基因的表达，过表达SoLINS则使GmMAX4α表达最高。
研究结论
萜类生物合成基因在大豆根发育和结瘤过程中发挥不同作用，可能通过影响独脚金内酯、油菜素甾醇等萜类激素的生物合成或信号传导来调节根瘤共生。该研究为理解萜类在豆科植物共生固氮中的功能提供了新见解，并提示通过代谢工程调控萜类代谢是增强豆科作物结瘤的潜在策略。