In silico mining and functional analysis of AP2/ERF gene in Withania somnifera
- 作者
- Sandhya Tripathi, Yashdeep Srivastava, Rajender Singh Sangwan, Neelam Singh Sangwan
- 单位
- CSIR-Central Institute of Medicinal and Aromatic Plants, Lucknow, India
- 杂志
- Scientific Reports（2020）
- DOI
- 10.1038/s41598-020-60090-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在睡茄（Withania somnifera）中鉴定 AP2/ERF 转录因子基因家族，并阐明其参与胁迫耐受及萜类代谢调控的功能。
研究策略
利用转录组数据挖掘和生物信息学分析鉴定 AP2/ERF 基因，克隆候选基因 WsAP2，通过农杆菌介导的瞬时过表达并结合 qRT-PCR 分析萜类途径关键基因表达变化，从而解析其功能。
核心内容
该研究通过转录组数据挖掘在睡茄中系统鉴定了AP2/ERF转录因子基因家族，共获得187个相关转录本，其中浆果、叶片和根中分别有89、36和62个。研究者克隆了候选基因WsAP2，其全长1098 bp，编码366个氨基酸，蛋白分子量约40.2 kDa。表达分析显示该基因在花中表达最高、根中最低，且受多种激素和逆境胁迫强烈诱导，其中水杨酸处理24小时上调245倍，创伤处理1小时上调282倍，赤霉素和茉莉酸甲酯处理9小时分别上调95倍和155倍。通过农杆菌介导的瞬时过表达实验，WsAP2转录水平较对照提高6至8倍，并显著上调萜类合成途径中HMGR、CAS、DXS、DXR等关键酶基因的表达，其中GGPPs上调超过80倍。结果表明WsAP2作为AP2/ERF家族转录因子，正向调控MVA和MEP途径，在睡茄萜类代谢调控及逆境适应中发挥重要作用，为利用该基因改良植物抗逆性和提高次生代谢产物合成提供了依据。
创新点
首次系统报道睡茄中 AP2/ERF 基因家族（187个转录本）；发现 WsAP2 受多种激素和胁迫强烈诱导（如SA处理24h上调245倍）；瞬时过表达 WsAP2 使萜类途径关键酶基因 GGPPs 表达上调超过80倍，揭示其作为萜类代谢主调控因子的潜力。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Withania somnifera | 萜类生物合成（MVA/MEP） | WsAP2 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 克隆自睡茄花，全长1098 bp，编码366 aa，瞬时过表达验证调控功能 |
| Withania somnifera | 萜类生物合成（MEP途径） | GGPPS（geranylgeranyl diphosphate synthase） | 香叶基香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 受WsAP2过表达上调超过80倍 |
| Withania somnifera | 甲羟戊酸（MVA）途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 受WsAP2过表达上调 |
| Withania somnifera | 萜类/甾醇生物合成 | CAS（cycloartenol synthase） | 环阿屯醇合酶 | 催化 | 受WsAP2过表达上调 |
| Withania somnifera | MEP途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 受WsAP2过表达上调 |
| Withania somnifera | MEP途径 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 受WsAP2过表达上调 |
| Withania somnifera | 应激响应与生长发育 | AP2/ERF GRTs（187个转录本） | AP2/ERF蛋白家族 | 调控 | 通过转录组挖掘鉴定，含AP2、ERF、DREB、RAV等亚家族 |
关键发现
- 从睡茄转录组中鉴定出187个AP2/ERF基因相关转录本（berry 89个，leaf 36个，root 62个）
- 克隆的WsAP2基因全长1098 bp，编码366个氨基酸，蛋白分子量约40.2 kDa
- 组织表达以花中最高、根中最低
- 1 mM GA处理9h上调95倍，1 mM SA处理24h上调245倍，1 mM MeJA处理9h上调155倍，创伤处理1h上调282倍，冷处理30min上调32倍，热处理30min上调38倍
- 瞬时过表达后WsAP2转录水平比野生型/空载体高6–8倍，萜类途径基因HMGR、CAS、DXS、DXR均上调，其中GGPPs表达上调超过80倍。
研究结论
WsAP2 是 AP2/ERF 家族转录因子，受赤霉素、水杨酸、茉莉酸甲酯及创伤、冷、热等胁迫处理诱导表达；瞬时过表达实验表明其正向调控 MVA 和 MEP 途径关键酶基因（尤其 GGPPs），提示 WsAP2 在睡茄萜类代谢调控和逆境适应中发挥重要作用，为后续利用该基因改良植物抗逆性和次生代谢产物合成提供了依据。