PgLOX6 encoding a lipoxygenase contributes to jasmonic acid biosynthesis and ginsenoside production in Panax ginseng
- 作者
- Shadi Rahimi, Yu-Jin Kim, Johan Sukweenadhi, Dabing Zhang, Deok-Chun Yang
- 单位
- Graduate School of Biotechnology and Ginseng Bank, College of Life Sciences, Kyung Hee University, Yongin, 446-701, Republic of Korea; Department of Crop Science, Chungbuk National University, Cheongju 361-763, Korea; Department of Oriental Medicinal Biotechnology, College of Life Sciences, Kyung Hee University, Yongin, 446-700, Republic of Korea; State Key Laboratory of Hybrid Rice, Shanghai Jiao Tong University-University of Adelaide Joint Centre for Agriculture and Health, School of Life Sciences and Biotechnology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; School of Agriculture, Food and Wine, University of Adelaide, Waite Campus, Urrbrae, South Australia 5064, Australia
- 杂志
- Journal of Experimental Botany（2017）
- DOI
- 10.1093/jxb/erw358
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析茉莉酸（JA）生物合成与三七（人参）皂苷生物合成之间的分子联系，鉴定参与JA合成的关键脂氧合酶基因PgLOX6并验证其促进人参皂苷生产的功能。
研究策略
从人参中克隆13-脂氧合酶基因PgLOX6，通过转基因拟南芥和人参不定根过表达，检测JA/MeJA含量、三萜合成基因表达及皂苷积累；并结合JA合成抑制剂DIECA、拟南芥lox4突变体等遗传和化学手段验证其功能。
核心内容
该研究从人参中克隆了编码13-脂氧合酶的基因PgLOX6，并通过转基因拟南芥和人参不定根过表达系统，结合JA合成抑制剂DIECA和拟南芥lox4突变体等遗传与化学手段，解析了该基因在茉莉酸生物合成及人参皂苷积累中的功能。结果显示，PgLOX6在叶、根和花中高表达，定位于维管束；过表达PgLOX6使人参不定根中JA途径基因PgAOS、PgAOC1及皂苷合成关键基因PgSS1、PgSE1、PgDDS显著上调，总人参皂苷在5号和8号株系分别达5.41和5.83 mg/g DW，对照为3.97 mg/g DW，其中Rb2、Rg1、Rb1分别较对照提高2.4、1.7和1.6倍。外源MJ处理转基因材料使总皂苷进一步升至对照的2.8倍。DIECA抑制JA合成则将皂苷含量降至1.1 mg/g DW，而100 μM MJ处理可使总皂苷达5.3 mg/g DW。该研究首次证实通过改造内源JA合成通路基因PgLOX6可有效促进三萜皂苷积累，为提高人参皂苷产量提供了新的分子工具和理论依据。
创新点
['首次通过遗传改造JA生物合成通路基因PgLOX6促进人参皂苷积累', '揭示了PgLOX6在维管束中表达与JA系统信号及皂苷合成基因的关系', '提出了利用内源JA工程提高三萜皂苷产量的分子工具']
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Panax ginseng (人参) | 茉莉酸生物合成 | PgLOX6 | 13-脂氧合酶 | 催化 | JA合成第一步，将亚油酸等氧化为13-HPOD；定位于叶绿体，在维管束中表达 |
| Panax ginseng (人参) | 茉莉酸生物合成 | PgAOS | 丙二烯氧化物合酶 | 催化 | 将13-HPOD转化为不稳定的环氧化物 |
| Panax ginseng (人参) | 茉莉酸生物合成 | PgAOC1 | 丙二烯氧化物环化酶 | 催化 | 催化环氧化物生成OPDA |
| Panax ginseng (人参) | 人参皂苷生物合成（MVA途径） | PgHMGR1 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | MVA途径限速酶 |
| Panax ginseng (人参) | 三萜皂苷生物合成 | PgSS1 | 角鲨烯合酶 | 催化 | 催化两分子FPP生成角鲨烯 |
| Panax ginseng (人参) | 三萜皂苷生物合成 | PgSE1 | 角鲨烯环氧酶 | 催化 | 催化角鲨烯生成2,3-氧化鲨烯 |
| Panax ginseng (人参) | 三萜皂苷生物合成 | PgDDS | 达玛烯二醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯环化成达玛烯二醇 |
| Panax ginseng (人参) | 茉莉酸信号途径调控 | PgMYC2 | MYC2转录因子 | 调控 | 候选转录因子，可能介导JA调控皂苷合成；在PgLOX6过表达株系中表达上调 |
| Arabidopsis thaliana (拟南芥) | 三萜前体合成 | AtSS1 | 角鲨烯合酶 | 催化 | 过表达PgLOX6上调其表达，squalene含量增加 |
| Arabidopsis thaliana (拟南芥) | 三萜前体合成 | AtSE1 | 角鲨烯环氧酶 | 催化 | 过表达PgLOX6上调其表达 |
关键发现
- PgLOX6编码一个13-脂氧合酶，调控JA生物合成并促进人参皂苷积累。DIECA抑制JA合成使人参皂苷含量降至1.1 mg/g DW（对照组2.5 mg/g DW），而100 μM MJ处理使总皂苷达5.3 mg/g DW，并导致PgSS1、PgSE1、PgDDS表达分别上调4.1、14、8.4倍。PgLOX6在叶、根和花中高表达，定位在维管束
- 其启动子驱动的GUS在拟南芥根系维管束和保卫细胞表达。过表达PgLOX6的拟南芥JA和MJ含量增加，squalene含量及AtSS、AtSE表达升高
- 过表达PgLOX6的人参不定根中，PgAOS、PgAOC1及PgSS1、PgSE1、PgDDS等表达上调，总人参皂苷含量在5号和8号株系分别达5.41和5.83 mg/g DW（对照3.97 mg/g DW），其中Rb2、Rg1、Rb1分别比对照高2.4、1.7、1.6倍。MJ处理转基因人参进一步使总皂苷提高到对照（未处理非转基因）的2.8倍，比MJ单独处理非转基因高1.4倍。PgLOX6的CDS长2718 bp，编码906个氨基酸，含叶绿体转运肽。
研究结论
PgLOX6是JA生物合成中重要的13-脂氧合酶，通过上调人参皂苷合成基因（PgSS1、PgSE1、PgDDS等）促进三萜皂苷积累，为利用内源JA工程提高人参皂苷产量提供了分子工具和理论基础。