Overexpression of LiDxS and LiDXR From Lily (Lilium 'Siberia') Enhances the Terpenoid Content in Tobacco Flowers
- 作者
- Tengxun Zhang, Ming Sun, Yanhong Guo, Xuejun Shi, Yongjuan Yang, Juntong Chen, Tangchun Zheng, Yu Han, Fei Bao, Sagheer Ahmad
- 单位
- Beijing Key Laboratory of Ornamental Plants Germplasm Innovation & Molecular Breeding, National Engineering Research Center for Floriculture, Beijing Laboratory of Urban and Rural Ecological Environment, Key Laboratory of Genetics and Breeding in Forest Trees and Ornamental Plants of Ministry of Education, School of Landscape Architecture, Beijing Forestry University, Beijing, China
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2018）
- DOI
- 10.3389/fpls.2018.00909
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析东方百合'西伯利亚'单萜生物合成的分子机制，探究MEP途径关键酶LiDxS和LiDXR在单萜及萜类挥发性化合物合成中的功能。
研究策略
采用同源克隆和RACE技术从浓香型百合'西伯利亚'中克隆LiDxS和LiDXR基因；通过qRT-PCR分析其时空表达模式；利用GFP融合蛋白进行亚细胞定位；在烟草中异源过表达这两个基因，并通过HS-SPME-GC-MS分析转基因花朵中萜类挥发物的变化。
核心内容
该研究从浓香型东方百合‘西伯利亚’中克隆了MEP途径两个关键酶基因LiDxS和LiDXR，全长编码区分别编码732和472个氨基酸，并证实二者均定位于叶绿体。表达分析显示两个基因在花瓣中表达量最高，且随花朵开放进程上升、萎凋时下降，与单萜释放节律一致。通过在烟草中分别异源过表达这两个基因并利用HS-SPME-GC-MS分析花朵挥发性萜类，发现LiDXR过表达可同时促进单萜、倍半萜和二萜合成，其中芳樟醇含量较对照提高1.6至2.1倍；而LiDxS过表达主要显著增加二萜sclareol积累，对芳樟醇影响不显著。结果表明LiDXR是百合单萜生物合成的关键限速节点，可作为调控花卉香气的优选靶基因，而LiDxS对单萜的具体调控作用仍待进一步解析，该工作为观赏植物花香性状的分子改良提供了重要基因资源和理论依据。
创新点
["首次从东方百合'西伯利亚'中克隆并表征LiDxS和LiDXR基因", '证实LiDXR在单萜生物合成中的关键作用，过表达显著提高烟草花中芳樟醇含量1.6-2.1倍', '发现LiDxS过表达主要促进二萜sclareol积累，而LiDXR过表达可同时促进单萜、倍半萜和二萜的积累']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草(Nicotiana tabacum 'NC89') | MEP途径 | LiDxS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶(DXS) | 催化 | 异源过表达使二萜sclareol含量显著增加，S6株系的倍半萜caryophyllene也显著增加；基因属于DXS2分支 |
| 烟草(Nicotiana tabacum 'NC89') | MEP途径 | LiDXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶(DXR) | 催化 | 异源过表达使单萜linalool含量提高1.6-2.1倍，同时增加caryophyllene(倍半萜)和sclareol(二萜)积累 |
| 本氏烟草(Nicotiana benthamiana) | MEP途径 | LiDxS / LiDXR (GFP融合) | LiDxS-GFP / LiDXR-GFP | 区室化 | 共聚焦显微镜观察证实两者均定位于叶绿体 |
| 百合(Lilium 'Siberia') | MEP途径 | LiDxS、LiDXR | LiDxS、LiDXR | 催化 | 基因来源植物；两者的内源表达水平与不同花器官和发育阶段单萜释放量一致，提示参与单萜合成 |
关键发现
- ['LiDxS全长cDNA为2479 bp，ORF为2199 bp，编码732个氨基酸
- LiDXR ORF为1419 bp，编码472个氨基酸。', 'LiDxS和LiDXR在花瓣中表达量最高，表达量从花蕾期至盛花期升高、萎凋期下降，与单萜释放规律一致。', '亚细胞定位证实LiDxS和LiDXR均定位于叶绿体。', 'LiDXR过表达烟草株系(R3、R4、R8)中单萜芳樟醇含量较对照提高1.6-2.1倍，倍半萜caryophyllene和二萜sclareol含量也显著增加。', 'LiDxS过表达株系(S1、S6)中二萜sclareol含量显著增加，S6株系中caryophyllene也显著增加，但芳樟醇仅轻微增加且无显著差异。']
研究结论
LiDXR在百合'西伯利亚'单萜生物合成中发挥重要作用，可作为调控花卉香气的关键基因；LiDxS虽影响萜类积累但其在单萜生物合成中的具体调控作用仍需进一步研究。该研究为百合及其他观赏植物花香性状的遗传改良奠定了理论基础。