OsTGAP1, a bZIP Transcription Factor, Coordinately Regulates the Inductive Production of Diterpenoid Phytoxalexins in Rice
- 作者
- Atsushi Okada, Kazunori Okada, Koji Miyamoto, Jinichiro Koga, Naoto Shibuya, Hideaki Nojiri, Hisakazu Yamane
- 单位
- Biotechnology Research Center, The University of Tokyo; Bio Science Laboratories, Meiji Seika Kaisha, Ltd.; Department of Life Sciences, Faculty of Agriculture, Meiji University
- 杂志
- Journal of Biological Chemistry（2009）
- DOI
- 10.1074/jbc.M109.036871
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
水稻在感知病原侵染时诱导产生二萜类植保素（momilactones和phytocassanes），但调控其生物合成基因簇协同表达的转录因子及其机制尚不清楚。
研究策略
通过OsKSL4启动子的缺失和突变分析鉴定elicitor响应顺式元件（TGACG），结合转录组筛选elicitor诱导的bZIP转录因子，利用Tos17插入突变体和过表达转基因细胞系进行功能验证，并通过EMSA和转录激活实验证明OsTGAP1直接结合并激活靶基因。
核心内容
该研究鉴定并验证了水稻bZIP转录因子OsTGAP1是诱导性二萜植保素产生的核心调控因子。作者通过OsKSL4启动子缺失和突变分析定位到elicitor响应必需的-1224至-991区域及其中TGACG顺式元件，结合转录组筛选获得elicitor诱导的候选bZIP转录因子，并利用Tos17插入突变体和过表达转基因细胞系进行了功能验证。结果显示，ostgap1突变体中momilactone积累降至野生型的20%以下，生物合成基因簇中OsCPS4、OsKSL4、CYP99A2、CYP99A3、OsMAS五个基因几乎不表达，OsKSL7表达也受抑制约50%；而过表达株系在elicitor处理后植保素显著超积累，靶基因高表达可持续至24小时。EMSA和转录激活实验证明OsTGAP1直接结合OsKSL4启动子中的TGACG基序（-1045至-1040）并激活转录，同时还能上调上游MEP途径的OsDXS3表达。该工作揭示了OsTGAP1协同调控基因簇、phytocassane合成及前体供应途径的调控网络，为水稻抗病代谢工程提供了重要靶点。
创新点
首次鉴定并证实水稻bZIP转录因子OsTGAP1是诱导性二萜植保素（momilactone和phytocassane）产生的关键调控因子，能够协同调控momilactone生物合成基因簇中全部五个基因以及上游MEP途径基因的表达。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Oryza sativa cv. Nipponbare (水稻) | 二萜植保素生物合成（momilactone） | OsCPS4 | syn-copalyl diphosphate synthase | 催化 | 该基因位于水稻4号染色体momilactone生物合成基因簇中，催化生成syn-copalyl diphosphate。 |
| Oryza sativa cv. Nipponbare (水稻) | 二萜植保素生物合成（momilactone） | OsKSL4 | 9βH-pimara-7,15-diene synthase | 催化 | 该基因编码momilactone生物合成的关键环化酶，将syn-copalyl diphosphate转化为9βH-pimara-7,15-diene。 |
| Oryza sativa cv. Nipponbare (水稻) | 二萜植保素生物合成（momilactone） | CYP99A2 | cytochrome P450 monooxygenase | 催化 | 基因簇成员，参与momilactone生物合成下游氧化步骤。 |
| Oryza sativa cv. Nipponbare (水稻) | 二萜植保素生物合成（momilactone） | CYP99A3 | cytochrome P450 monooxygenase | 催化 | 基因簇成员，参与momilactone生物合成下游氧化步骤。 |
| Oryza sativa cv. Nipponbare (水稻) | 二萜植保素生物合成（momilactone） | OsMAS | dehydrogenase | 催化 | 基因簇成员，参与momilactone生物合成下游氧化步骤。 |
| Oryza sativa cv. Nipponbare (水稻) | 二萜植保素生物合成（phytocassane） | OsKSL7 | ent-cassa-12,15-diene synthase | 催化 | 催化ent-copalyl diphosphate形成ent-cassa-12,15-diene，是phytocassane生物合成的关键酶。 |
| Oryza sativa cv. Nipponbare (水稻) | 甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径 | OsDXS3 | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | MEP途径的第一个限速酶，为二萜植保素前体geranylgeranyl diphosphate供应底物。 |
| Oryza sativa cv. Nipponbare (水稻) | 二萜植保素生物合成调控 | OsTGAP1 | bZIP transcription factor | 调控 | elicitor诱导的bZIP转录因子，结合TGACG motif，协同调控momilactone基因簇及OsKSL7、OsDXS3的表达。 |
关键发现
- OsTGAP1基因敲除突变体（ostgap1）中momilactone积累降至野生型的20%以下，五个基因簇基因（OsCPS4、OsKSL4、CYP99A2、CYP99A3、OsMAS）几乎不表达
- OsKSL7表达在突变体中约50%被抑制
- OsTGAP1过表达株系在elicitor处理后momilactones和phytocassanes显著超积累，且基因表达维持高表达至24h
- OsTGAP1可直接结合OsKSL4启动子中的TGACG motif（-1045至-1040）
- 启动子缺失分析表明-1224~-991区域为elicitor响应必需
- OsTGAP1过表达还能上调OsDXS3表达。
研究结论
OsTGAP1作为关键的bZIP转录因子，在elicitor诱导下协同调控水稻momilactone生物合成基因簇、phytocassane生物合成基因及上游MEP途径基因的表达，是水稻防御性二萜植保素产生的核心调控因子。