Spatial distribution of isoprenoid enzymes and MpABCG1 transporter influences sesquiterpene accumulation in Marchantia polymorpha oil bodies
- 作者
- Edith C. F. Forestier, Paola Asprillia, Ignacy Bonter, Facundo Romani, Eftychios Frangedakis, Jim Haseloff
- 单位
- Department of Plant Sciences, University of Cambridge, Downing Street, CB2 3EA Cambridge, United Kingdom
- 杂志
- Communications Biology（2026）
- DOI
- 10.1038/s42003-025-09508-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
地钱（Marchantia polymorpha）油体是储存倍半萜等萜类化合物的特化细胞结构，但萜类前体生物合成酶的空间分布尚不清楚，且MpABCG1转运蛋白在倍半萜油体积累中的具体作用未明。本研究旨在系统解析油体细胞中萜类前体合成酶的亚细胞定位和细胞类型特异性表达，并阐明MpABCG1对倍半萜积累的贡献。
研究策略
利用翻译融合和转录融合报告基因结合共聚焦显微镜，对MVA和MEP途径关键酶以及萜类骨架合成酶进行定位和表达分析；通过异源表达紫杉二烯合酶（TXS）、β-香树脂醇合酶（β-AS）和amorpha-4,11-二烯合酶（AMS）探索油体代谢工程潜力；通过过表达前体供给基因和CRISPR-Cas9基因编辑MpABCG1，结合GC-MS代谢物定量，解析萜类积累机制。
研究路线图
核心内容
该研究以地钱为对象，系统解析了油体细胞中萜类前体合成酶的空间分布及MpABCG1转运蛋白对倍半萜积累的贡献。通过翻译融合和转录融合报告基因结合共聚焦显微镜，绘制了MVA和MEP途径关键酶的亚细胞定位图谱：MpDXS1普遍表达于质体，MpDXS2仅限油体细胞质体，MpHDS、MpHDR和MpGGPPS定位于质体，MpHMGR定位于ER和高尔基体且油体细胞特异，MpFPS则定位于胞质并特异表达于油体细胞。异源表达方面，proUBE2启动子驱动的紫杉二烯合酶产量约21 μg/g FW，而油体细胞特异启动子proMYB2仅产0.7 μg/g FW，β-香树脂醇合酶类似（58 vs 1.5 μg/g FW），但过表达多个前体供给基因均未提高产量，提示存在运输或存储瓶颈。共表达MpFPS+MpHMGR使内源倍半萜增加2.8倍；在此基础上过表达MpABCG1，使cis-thujopsene增加3倍、thujopsan-2α-ol增加3.6倍。CRISPR敲除MpABCG1导致倍半萜积累急剧减少或完全消失，但不影响植物甾醇水平，油体尺寸显著减小。该研究证实了油体细胞是萜类生物合成的主要场所，MpABCG1对倍半萜在油体中的积累不可或缺，为利用油体进行萜类代谢工程提供了重要策略指导。
创新点
首次系统绘制了地钱油体细胞中萜类前体合成酶的亚细胞定位图谱，发现MpFPS实际定位于胞质而非预测的线粒体；发现MpHDS和MpHDR可能共享双向启动子；通过CRISPR敲除证实MpABCG1是倍半萜在油体中积累所必需的；揭示靶向油体表达外源萜类时前体供给过表达不足以提高产量，存在其他限速因素。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Marchantia polymorpha | MEP pathway | MpDXS1 | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase 1 | 催化 | 普遍表达，质体定位，油体细胞中信号更强 |
| Marchantia polymorpha | MEP pathway | MpDXS2 | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase 2 | 催化 | 仅油体细胞质体表达 |
| Marchantia polymorpha | MEP pathway | MpHDS | 1-hydroxy-2-methyl-2-(E)-butenyl 4-diphosphate synthase | 催化 | 质体定位，与MpHDR共享双向启动子 |
| Marchantia polymorpha | MEP pathway | MpHDR | 1-hydroxy-2-methyl-2-(E)-butenyl 4-diphosphate reductase | 催化 | 质体定位，与MpHDS共享双向启动子 |
| Marchantia polymorpha | Diterpene precursor biosynthesis | MpGGPPS (MpIDS2) | geranylgeranyl pyrophosphate synthase | 催化 | 质体定位，所有细胞类型中表达，油体细胞中较强 |
| Marchantia polymorpha | MEP pathway | MpDXR1 | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase 1 | 催化 | 普遍表达（转录报告子） |
| Marchantia polymorpha | MEP pathway | MpDXR2 | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase 2 | 催化 | 油体细胞特异性表达（转录报告子） |
| Marchantia polymorpha | MVA pathway | MpHMGR | 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase | 催化 | ER和高尔基体定位，油体细胞特异性 |
| Marchantia polymorpha | MVA pathway | MpMVD | mevalonate diphosphate decarboxylase | 催化 | 油体细胞特异性表达（转录报告子） |
| Marchantia polymorpha | Sesquiterpene precursor biosynthesis | MpFPS (MpIDS1) | farnesyl pyrophosphate synthase | 催化 | 胞质定位，油体细胞特异性，与DeepLoc预测的线粒体定位不同 |
| Marchantia polymorpha | Sterol biosynthesis | MpSQS3 | squalene synthase 3 | 催化 | 分生组织及后期广泛表达（转录报告子） |
| Marchantia polymorpha | Diterpene biosynthesis (taxadiene) | TXS | taxadiene synthase (Taxus baccata) | 催化 | 外源基因，proUBE2驱动时全株表达，proMYB2驱动时油体细胞特异表达且定位于质体 |
| Marchantia polymorpha | Triterpene biosynthesis (β-amyrin) | β-AS | β-amyrin synthase (Talinum paniculatum) | 催化 | 外源基因，油体细胞特异表达时定位于胞质/ER |
| Marchantia polymorpha | Sesquiterpene biosynthesis (amorpha-4,11-diene) | AMS | amorpha-4,11-diene synthase (Artemisia annua) | 催化 | 外源基因，仅在proUBE2驱动下检出产物，油体细胞靶向时未检出 |
| Marchantia polymorpha | Terpene accumulation/transport | MpABCG1 | ABC transporter G1 | 转运 | 油体膜定位，CRISPR敲除导致倍半萜积累急剧减少，OB尺寸缩小 |
关键发现
- MpDXS1普遍表达于质体，MpDXS2仅限于油体细胞质体
- MpHDS、MpHDR和MpGGPPS定位于质体
- MpHMGR定位于ER和高尔基体且油体细胞特异
- MpFPS定位于胞质并特异表达于油体细胞。外源生产方面，proUBE2:TXS的紫杉二烯产量约21 μg/g FW，proMYB2:TXS仅0.7 μg/g FW
- proUBE2:β-AS的β-香树脂醇产量约58 μg/g FW，proMYB2:β-AS仅1.5 μg/g FW。过表达MpDXS1/MpDXS2/PpDXS1/PpDXS2/MpHDR/MpGGPPS或MpHMGR/tHMGR均未显著提高外源萜类产量。AMR仅在whole-plant表达（proUBE2:AMS）时检测到amorpha-4,11-diene，平均0.75 μg/g FW（6/8个转化体）。内源倍半萜方面，共表达MpFPS+MpHMGR使主要倍半萜增加2.8倍，MpFPS+MpDXS2增加1.8倍
- 在共表达前体基因基础上过表达MpABCG1，使cis- thujopsene增加3倍，β-chamigrene和γ-cuprene增加3.2倍，thujopsan-2α-ol增加3.6倍。CRISPR突变的Mpabcg1突变体表现出倍半萜积累急剧减少或完全消失，而植物甾醇水平不受影响，油体尺寸显著减小。
研究结论
Marchantia polymorpha油体细胞是萜类生物合成的主要场所，MVA途径和MEP途径的关键酶具有明确的亚细胞分工（ER/胞质 vs 质体）。MpABCG1是倍半萜在油体中积累所必需的，可能直接或间接参与倍半萜或其前体的转运。靶向油体表达外源萜类合酶时，前体供给过表达不足以提高产量，提示存在运输或存储方面的瓶颈。这些发现为利用油体进行萜类代谢工程提供了重要的理论基础和策略指导。