高级醇 · 代谢工程文献库

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Progressive Regulation of Sesquiterpene Biosynthesis in Arabidopsis and Patchouli (Pogostemon cablin) by the miR156- Targeted SPL Transcription Factors

作者
Zong-Xia Yu, Ling-Jian Wang, Bo Zhao, Chun-Min Shan, Yu-Hua Zhang, Dong-Fang Chen, Xiao-Ya Chen
单位
Plant Science Research Center, Shanghai Chenshan Botanical Garden, Shanghai Key Laboratory of Plant Functional Genomics and Resources; National Key Laboratory of Plant Molecular Genetics, National Plant Gene Research Center, Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences; University of CAS; Dalian University; Firmenich Aromatics (China) Co. Ltd.
杂志
Molecular Plant（2015）
DOI
10.1093/mp/ssu127
所属领域
代谢工程/植物次生代谢调控
关键词
(E)-β-caryophylleneArabidopsisPatPTSPogostemon cablinSPLTPS21miR156patchoulolsesquiterpene biosynthesis
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解决的核心问题

植物发育时序如何直接调控倍半萜生物合成，缺乏内源发育信号与萜类代谢之间的分子连接机制。

研究策略

以拟南芥和广藿香为对象，结合遗传学、分子生物学、生化和组学手段，证明miR156靶向的SPL转录因子直接激活倍半萜合酶基因（TPS21和PatPTS）的表达，从而调控倍半萜的时序合成。

研究路线图

100%
研究问题：发育时序如何调控倍半萜合成？
策略：miR156-SPL模块假设与多组学验证
关键改造：SPL9/SPL10过表达与MIR156抑制
结果：TPS21/PatPTS表达显著变化
结果：倍半萜产物积累量随之改变
结论：SPL直接激活TPS21/PatPTS，保守机制
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核心内容

该研究以拟南芥和广藿香为对象，揭示了miR156靶向的SPL转录因子直接激活倍半萜合酶基因表达，从而将发育时序与萜类代谢相连接的保守调控机制。在拟南芥中，研究者结合遗传学、生化和分子手段证明SPL9可直接结合TPS21启动子中的GTAC基序，调控(E)-β-caryophyllene和α-humulene的年龄依赖性排放；ProSPL9:rSPL9植物中TPS21转录水平升高约2.5倍，萜烯排放提高76%，而spl9突变体中减半。在多年生广藿香中，同一模块控制广藿香油积累：一年生植株patchoulol含量较一个月生植株高约12倍，PatPTS表达同步上升；过表达SPL10使PatPTS表达提高5倍，(-)-patchoulol含量提升20%，总倍半萜含量从1.032%升至1.369%。此外，SPL与MYC2以平行方式独立调控TPS21。该发现为通过遗传工程加速植物生长并提高精油产量提供了新策略。

创新点

['首次揭示miR156-SPL模块直接结合并激活倍半萜合酶基因启动子，连接发育时序与萜类生产', '在多年生芳香植物广藿香中证明同一调控机制控制广藿香油的年龄依赖性积累', '提出通过SPL过表达加速植物生长并提高精油产量的新策略']

研究对象（12）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
拟南芥（Arabidopsis thaliana） 倍半萜生物合成（MVA途径→FPP→倍半萜） TPS21 TPS21蛋白 催化 催化FPP生成(E)-β-caryophyllene、α-humulene和α-copaene，是SPL9的直接靶标
拟南芥（Arabidopsis thaliana） 倍半萜生物合成 TPS11 TPS11蛋白 催化 催化生成(+)-thujopsene等，不受miR156显著调控
拟南芥（Arabidopsis thaliana） 倍半萜生物合成调控 SPL9 SPL9转录因子 调控 miR156靶向的SPL因子，直接结合TPS21启动子GTAC基序并激活转录
拟南芥（Arabidopsis thaliana） 倍半萜生物合成调控 SPL3 SPL3转录因子 调控 miR156靶向SPL，过表达也能促进TPS21表达
拟南芥（Arabidopsis thaliana） 倍半萜生物合成调控 SPL10 SPL10转录因子 调控 miR156靶向SPL，过表达能促进TPS21表达；用于广藿香转化
拟南芥（Arabidopsis thaliana） MVA途径 HMGR1, HMGR2 HMG-CoA还原酶 催化 MVA途径关键酶，不受miR156显著影响
拟南芥（Arabidopsis thaliana） MVA途径 FPS1, FPS2 法尼基焦磷酸合酶 催化 催化生成FPP，不受miR156显著影响
广藿香（Pogostemon cablin） 倍半萜生物合成（广藿香油） PatPTS patchoulol合酶 催化 多产物倍半萜合酶，负责广藿香油中包括patchoulol在内的多种倍半萜；受SPL正调控
广藿香（Pogostemon cablin） 倍半萜生物合成 PatTpsA, PatTpsBF2, PatTpsCF2, PatTpsB15 倍半萜合酶 催化 分别产生γ-curcumene、(-)-germacrene D、(+)-germacrene A等，其中PatTpsBF2表达也受miR156/SPL影响
广藿香（Pogostemon cablin） 倍半萜生物合成调控 SPL10 SPL10转录因子 调控 过表达rSPL10使PatPTS表达提高5倍，增强广藿香油积累
广藿香（Pogostemon cablin） 倍半萜生物合成调控 MIR156 miR156 调控 过表达MIR156抑制SPLs，导致PatPTS表达极低、广藿香油不可检测
本氏烟草（Nicotiana benthamiana） TPS21启动子活性检测 LUC报告基因 萤火虫荧光素酶 调控 用于瞬时dual-LUC实验验证SPL9激活TPS21启动子

关键发现

  1. ['拟南芥花序中TPS21在18 DAF表达量最高，呈显著的年龄依赖性增强
  2. (E)-β-caryophyllene和α-humulene排放随开花后时间递增', 'Pro35S:MIM156中(E)-β-caryophyllene排放显著增加，Pro35S:MIR156中大幅减少
  3. TPS21表达在Pro35S:MIM156中增加2倍以上，在Pro35S:MIR156中显著降低', 'SPL9直接结合TPS21启动子GTAC基序（EMSA和ChIP证实）
  4. DEX诱导rSPL9后TPS21表达加倍，乙醇诱导miR156后TPS21表达降低50%', 'ProSPL9:rSPL9植物中TPS21转录水平升高约2.5倍，spl9突变体中降至50%以下
  5. (E)-β-caryophyllene在ProSPL9:rSPL9中提高76%，在spl9中减半', 'TPS21启动子中上游6个GTAC基序（cis1）对SPL9激活至关重要，mu1和mu4突变严重损害启动子活性', '广藿香叶片中patchoulol含量随株龄增长，一年生植株较一个月生植株高约12倍，PatPTS表达同步急剧上升', 'Pro35S:rSPL10广藿香中PatPTS表达提高5倍，(-)-patchoulol含量提高20%，Pro35S:MIR156中(-)-patchoulol低于检测限
  6. 总倍半萜含量由1.032%升至1.369%', 'SPL与MYC2以平行方式独立调控TPS21表达']

研究结论

miR156靶向的SPL转录因子在拟南芥和广藿香中保守地调控倍半萜合酶基因表达，从而控制倍半萜的时序合成与积累；该机制为通过遗传工程加速植物生长并提高精油产量提供了新策略。