3-Hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase genes from Glycine max regulate plant growth and isoprenoid biosynthesis
- 作者
- Shuai Wang, Yumei Feng, Yin Lou, Jingping Niu, Congcong Yin, Jinzhong Zhao, Weijun Du, Aiqin Yue
- 单位
- 山西农业大学; 山西农业大学生命科学学院; 山西农业大学农学院; 山西农业大学基础部; 山西农业大学生物工程研究所
- 杂志
- Scientific Reports（2023）
- DOI
- 10.1038/s41598-023-30797-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
大豆中8个HMGR基因（GmHMGR1-GmHMGR8）在植物生长发育和异戊二烯生物合成中的功能尚不清楚，尤其是MVA和MEP通路之间的相互作用。
研究策略
使用HMGR特异性抑制剂洛伐他汀（LOV）处理大豆幼苗，并通过在拟南芥中过表达GmHMGR4和GmHMGR6，结合表型、代谢物含量、基因表达和分子对接分析，研究GmHMGR的功能。
核心内容
该研究系统解析了大豆中8个3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶基因（GmHMGR1–GmHMGR8）在植物生长发育与异戊二烯生物合成中的功能。研究者利用HMGR特异性抑制剂洛伐他汀（LOV）处理大豆幼苗，并分别在拟南芥中过表达GmHMGR4和GmHMGR6，结合表型观察、代谢物含量测定、基因表达分析及分子对接进行功能验证。结果显示，LOV显著抑制大豆生长，1.0 μM处理下株高降低53.89%，主根长度缩短70.31%，根尖分生区细胞数仅为对照的27.50%；同时总甾醇含量在茎和根中分别降至对照的72.38%和72.10%，总大豆皂苷醇含量降低90.25%。分子对接表明GmHMGR1–8与LOV的结合能均低于其与底物HMG-CoA的结合能。过表达GmHMGR4和GmHMGR6的拟南芥8天幼苗主根长度较野生型分别增加83.96%和57.21%，甾醇含量最高增加74.58%，生育酚含量亦显著上升。该工作首次系统揭示了大豆GmHMGR家族在甾醇合成与根发育中的关键作用，并证明MVA途径可影响MEP途径产物积累，暗示两条通路间存在交叉调控，为作物改良提供了潜在靶点。
创新点
首次系统研究大豆GmHMGR1-8的功能；通过分子对接验证LOV对GmHMGR的抑制作用；揭示LOV抑制根尖分生组织导致侧根发育受阻；证明GmHMGR4/6过表达促进拟南芥根生长并增加甾醇和角鲨烯含量，同时影响MEP通路产物生育酚。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Glycine max (大豆) | 甲羟戊酸 (MVA) 途径 | GmHMGR1 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶1 | 催化 | LOV处理后表达上调，可能受反馈调控 |
| Glycine max (大豆) | 甲羟戊酸 (MVA) 途径 | GmHMGR2-GmHMGR8 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶2-8 | 催化 | LOV处理后表达下调 |
| Glycine max (大豆) | 甲羟戊酸 (MVA) 途径 | GmFPPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | MVA途径下游基因，表达受LOV影响 |
| Glycine max (大豆) | 甲羟戊酸 (MVA) 途径 | GmSQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 角鲨烯合成相关基因 |
| Glycine max (大豆) | 甲羟戊酸 (MVA) 途径 | GmSQE | 角鲨烯环氧酶 | 催化 | 甾醇合成相关基因 |
| Glycine max (大豆) | 甲羟戊酸 (MVA) 途径 | GmCAS | 环阿屯醇合酶 | 催化 | 甾醇合成相关基因 |
| Glycine max (大豆) | 甲羟戊酸 (MVA) 途径 | Gmβ-AS | β-香树脂醇合酶 | 催化 | 大豆皂苷醇合成相关基因，1.0 μM LOV时表达显著降低 |
| Glycine max (大豆) | 甲基赤藓醇磷酸 (MEP) 途径 | GmDXR1 | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸还原异构酶1 | 催化 | MEP途径关键酶，LOV处理后根中表达上调 |
| Glycine max (大豆) | 甲基赤藓醇磷酸 (MEP) 途径 | GmDXR2 | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸还原异构酶2 | 催化 | MEP途径关键酶，LOV处理后叶中表达上调 |
| Arabidopsis thaliana (拟南芥) | 甲羟戊酸 (MVA) 途径 | GmHMGR4 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶4 | 催化 | 过表达促进根生长，增加甾醇和角鲨烯含量 |
| Arabidopsis thaliana (拟南芥) | 甲羟戊酸 (MVA) 途径 | GmHMGR6 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶6 | 催化 | 过表达促进根生长，增加甾醇和角鲨烯含量 |
| Arabidopsis thaliana (拟南芥) | 甲羟戊酸 (MVA) 途径 | AtHMGR1 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶1 | 催化 | 文献报道其功能缺失导致植株矮化等 |
关键发现
- LOV处理后大豆株高分别降低35.25%和53.89%（0.5和1.0 μM），主根长度分别缩短48.23%和70.31%，侧根数量减少超过37.10%
- 0 μM LOV下94.50%侧根长度不超过1 cm。LOV使根尖分生区长度缩短33.25%和70.13%，分生细胞数仅为对照的27.50%。
- 0 μM LOV使总甾醇含量在茎和根中分别降至对照的72.38%和72.10%，总大豆皂苷醇含量分别降低90.25%和71.48%。拟南芥过表达GmHMGR4和GmHMGR6后，8天幼苗主根长度分别比野生型增加83.96%和57.21%；OE-GmHMGR4系甾醇含量增加37.84%-74.58%，OE-GmHMGR6系增加26.45%-52.30%；生育酚含量也显著增加。分子对接显示GmHMGR1-8与LOV的结合能分别为-8.5、-6.2、-8.4、-8.2、-7.2、-8.0、-7.6和-7.6 kcal·mol-1，均低于与HMG-CoA的结合能。
研究结论
GmHMGR1-8在大豆生长发育和异戊二烯生物合成中起关键作用。LOV抑制GmHMGR导致甾醇含量降低和根尖分生组织受损，从而抑制根发育。过表达GmHMGR4和GmHMGR6可促进拟南芥根生长并增加MVA和MEP途径产物积累，提示大豆中存在MVA与MEP途径的交叉调控。