Characterization of GaWRKY1, a Cotton Transcription Factor That Regulates the Sesquiterpene Synthase Gene (+)-δ-Cadinene Synthase-A
- 作者
- Yan-Hua Xu, Jia-Wei Wang, Shui Wang, Jian-Ying Wang, Xiao-Ya Chen
- 单位
- National Key Laboratory of Plant Molecular Genetics, Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China
- 杂志
- Plant Physiology（2004）
- DOI
- 10.1104/pp.104.038612
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
棉花中倍半萜植保素（如棉酚）生物合成的转录调控机制尚不清楚，特别是关键酶基因CAD1-A的表达调控因子未鉴定。
研究策略
从棉花中分离WRKY转录因子GaWRKY1，通过表达模式分析、酵母单杂交、EMSA、转基因拟南芥和烟草瞬时表达等方法，验证GaWRKY1与CAD1-A启动子中W-box的结合及其对CAD1-A转录的激活作用。
研究路线图
核心内容
该研究从棉花中分离并鉴定了一个调控倍半萜合成酶基因CAD1-A表达的WRKY转录因子GaWRKY1。GaWRKY1 cDNA编码313个氨基酸、分子量约34 kD的蛋白，属于WRKY家族Group II，含单个WRKY域、C2H2锌指结构及N端亮氨酸拉链。表达分析显示，在无腺体棉品种GL-5中GaWRKY1和CAD1-A转录水平显著低于有腺体品种；大丽轮枝菌诱导物和茉莉酸甲酯可显著诱导两者表达及倍半萜醛积累，且GaWRKY1转录在诱导后30分钟内达峰，CAD1-A约2小时后才显著升高。酵母单杂交和EMSA证明GaWRKY1特异性结合CAD1-A启动子中的3×W-box回文结构。在转基因拟南芥中组成型表达GaWRKY1可强烈激活CAD1-A启动子；烟草瞬时表达系统中，GaWRKY1共表达使CAD1-A启动子驱动的GUS活性提高约20倍，而W-box突变后激活消失。结果表明GaWRKY1是棉花倍半萜植保素生物合成的转录激活因子，通过结合W-box调控CAD1-A表达，为棉酚生物合成的转录调控机制提供了直接证据。
创新点
首次鉴定了调控棉花倍半萜合成酶基因CAD1-A的WRKY转录因子GaWRKY1，并证明其通过启动子中的W-box回文结构特异性激活CAD1-A表达。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 棉花（Gossypium arboreum 和 Gossypium hirsutum） | 倍半萜植保素生物合成（棉酚及衍生物） | GaWRKY1 | GaWRKY1 | 调控 | WRKY转录因子，含单WRKY域和N端亮氨酸拉链，结合CAD1-A启动子W-box并激活其转录 |
| 棉花（Gossypium arboreum 和 Gossypium hirsutum） | 倍半萜植保素生物合成（棉酚及衍生物） | CAD1-A | (+)-δ-桉叶烷合成酶（(+)-δ-cadinene synthase） | 催化 | 倍半萜环化酶，催化棉酚途径的第一个关键步骤，其启动子含W-box回文元件 |
| 棉花（Gossypium arboreum 和 Gossypium hirsutum） | 倍半萜植保素生物合成（棉酚及衍生物） | CAD1-C3 | (+)-δ-桉叶烷合成酶（(+)-δ-cadinene synthase） | 催化 | CAD1-C亚家族成员，表达模式与GaWRKY1不同，可能受其他因子调控 |
| 棉花（Gossypium arboreum 和 Gossypium hirsutum） | 倍半萜植保素生物合成（棉酚及衍生物） | CYP706B1 | (+)-δ-桉叶烷-8-羟化酶（(+)-δ-cadinene-8-hydroxylase） | 催化 | 细胞色素P450单加氧酶，催化CAD1产物下游羟基化，启动子亦含W-box |
关键发现
- GaWRKY1 cDNA编码313个氨基酸的蛋白，预测分子量34 kD，属于WRKY家族Group II，含单个WRKY域、C2H2锌指结构及N端亮氨酸拉链。在无腺体棉品种GL-5中，GaWRKY1和CAD1-A转录水平显著低于有腺体品种。在G. arboreum悬浮细胞中，大丽轮枝菌诱导物（Vde）和茉莉酸甲酯（MJ）显著诱导GaWRKY1和CAD1-A表达及倍半萜醛积累，而水杨酸（SA）和H2O2无显著效果。Vde处理后GaWRKY1转录在30分钟内达峰，CAD1-A在约2小时后才显著升高。酵母单杂交和EMSA证明GaWRKY1特异性结合CAD1-A启动子的3×W-box。在转基因拟南芥中，组成型表达GaWRKY1强烈激活CAD1-A启动子
- 在烟草瞬时表达系统中，GaWRKY1共表达使CAD1-A启动子驱动的GUS活性提高约20倍，而W-box突变后激活消失。
研究结论
GaWRKY1是棉花倍半萜生物合成途径中的转录激活因子，通过结合CAD1-A启动子中的W-box回文元件调控该基因表达，从而参与棉酚及其相关倍半萜植保素的生物合成调控。