Fungal endophytes of Catharanthus roseus enhance vindoline content by modulating structural and regulatory genes related to terpenoid indole alkaloid biosynthesis
- 作者
- Shiv S. Pandey, Sucheta Singh, C. S. Vivek Babu, Karuna Shanker, N. K. Srivastava, Ashutosh K. Shukla, Alok Kalra
- 杂志
- Scientific Reports（2016）
- DOI
- 10.1038/srep26583
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
真菌内生菌促进长春花次生代谢产物（文多灵）积累的分子机制尚不清楚，需要揭示其如何影响萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成途径。
研究策略
从高生物碱基因型长春花（cv. Dhawal）叶片中分离真菌内生菌，鉴定后接种到低生物碱基因型长春花（cv. Prabal）的无内生菌植株中，通过HPLC检测文多灵含量，利用qRT-PCR分析TIA途径结构基因和调控基因的表达变化，并测定光合生理参数和生长指标。
核心内容
本研究从高生物碱基因型长春花（cv. Dhawal）叶片中分离鉴定出两株真菌内生菌Curvularia sp. CATDLF5和Choanephora infundibulifera CATDLF6，将其接种至低生物碱基因型长春花（cv. Prabal）的无内生菌植株中，以揭示内生菌促进文多灵积累的分子机制。HPLC检测显示两株内生菌分别使叶片文多灵含量提高403%和229%。qRT-PCR分析表明，CATDLF5和CATDLF6显著上调了TIA途径结构基因G10H、TDC、STR、16OMT、D4H、DAT及PRX1的表达，其中TDC上调2—4倍，同时上调转录激活子ORCA3而下调抑制子ZCT1、ZCT2、ZCT3和GBF2的表达。光合参数（Fv/Fm约0.73）和生长指标与对照无显著差异，H2O2浓度下降，表明内生菌在不影响宿主初级代谢的前提下，通过调控TIA生物合成关键基因的转录网络，特异性促进文多灵积累。该发现为利用内生菌与促生菌组合提高长春花生物碱产量提供了新策略。
创新点
首次发现Curvularia sp. CATDLF5和Choanephora infundibulifera CATDLF6两种真菌内生菌可通过上调TIA途径结构基因（如G10H、TDC、STR、16OMT、D4H、DAT）和转录激活子ORCA3，同时下调转录抑制子ZCTs的表达来提高文多灵含量，且不影响宿主植物的初级代谢。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | G10H | Geraniol 10-hydroxylase | 催化 | 上调表达 |
| Catharanthus roseus | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | TDC | Tryptophan decarboxylase | 催化 | 上调表达2-4倍 |
| Catharanthus roseus | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | STR | Strictosidine synthase | 催化 | 上调表达 |
| Catharanthus roseus | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | 16OMT | 16-hydroxytabersonine O-methyltransferase | 催化 | 上调表达 |
| Catharanthus roseus | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | D4H | Desacetoxyvindoline 4-hydroxylase | 催化 | 上调表达 |
| Catharanthus roseus | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | DAT | Deacetylvindoline 4-O-acetyltransferase | 催化 | 上调表达 |
| Catharanthus roseus | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | PRX1 | Vacuolar class III peroxidase | 催化 | 上调表达，参与文多灵与长春质碱偶联形成双吲哚生物碱 |
| Catharanthus roseus | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | ORCA3 | Octadecanoid-responsive Catharanthus AP2-domain protein | 调控 | 转录激活子，上调表达 |
| Catharanthus roseus | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | ZCT1 | Cys2/His2 zinc finger protein 1 | 调控 | 转录抑制子，下调表达 |
| Catharanthus roseus | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | ZCT2 | Cys2/His2 zinc finger protein 2 | 调控 | 转录抑制子，下调表达 |
| Catharanthus roseus | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | ZCT3 | Cys2/His2 zinc finger protein 3 | 调控 | 转录抑制子，下调表达 |
| Catharanthus roseus | Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis | MYC2 | Basic helix-loop-helix transcription factor MYC2 | 调控 | CATDLF5和CATDLF6均上调表达 |
关键发现
- CATDLF5和CATDLF6分别使长春花叶片中文多灵含量提高403%和229%（相对于无内生菌对照）
- TDC表达上调2-4倍
- 自然对照植株中ORCA3表达比无内生菌对照高约5倍
- CATDLF5和CATDLF6处理下调ZCT1、ZCT2、ZCT3和GBF2表达
- PRX1表达上调，H2O2浓度下降
- 光合参数（Fv/Fm~0.73）与无内生菌对照无显著差异。
研究结论
真菌内生菌CATDLF5和CATDLF6通过调控TIA生物合成关键结构基因和调控因子的表达显著提高文多灵含量，且不影响宿主初级代谢，可与促生内生菌组合用于提高长春花生物碱产量。