Identification and characterization of the MADS-box genes highly expressed in the latiger cells of Hevea brasiliensis
- 作者
- Ying Wang, Di-Feng Zhan, Hui-Liang Li, Dong Guo, Jia-Hong Zhu, Shi-Qing Peng
- 单位
- 未明确列出，但根据作者单位推断为中国热带农业科学院等（原文未提供完整单位信息）
- 杂志
- Scientific Reports（2019）
- DOI
- 10.1038/s41598-019-48958-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
橡胶树天然橡胶生物合成的分子调控机制尚不明确，尤其是调控次生代谢物的MADS-box转录因子家族缺乏系统鉴定与功能研究。
研究策略
基于橡胶树胶乳转录组数据库鉴定MADS-box基因家族，通过系统发育、基因结构、保守基序、组织表达及激素响应分析筛选候选基因，并利用酵母单杂交和烟草瞬时表达验证HbMADS24对HbFPS1启动子的调控作用。
研究路线图
核心内容
该研究基于橡胶树胶乳转录组数据，系统鉴定了24个MADS-box基因，其中4个为I型、20个为II型，后者又分为MIKC*（8个）和MIKC^*（12个）两个亚类。编码蛋白长度173至366个氨基酸，分子量介于20.4至41.18 kDa之间。通过组织表达分析，发现HbMADS3、5、6、7、9、13、23和24共8个基因在乳管细胞中高表达；激素处理实验显示，MeJA可上调HbMADS3、5和24的表达，ABA和SA分别对HbMADS9和HbMADS24有不同程度的诱导。进一步以HbMADS24为对象，亚细胞定位证实该蛋白定位于细胞核；酵母单杂交实验表明HbMADS24能结合HbFPS1启动子，双荧光素酶报告系统则证明其可使HbFPS1启动子驱动的荧光素酶活性显著提高（P<0.01），说明HbMADS24作为I型MADS-box转录因子可直接结合并激活HbFPS1启动子，正向调控天然橡胶生物合成。该结果首次将I型MADS-box基因与橡胶生物合成调控关联，为解析橡胶树乳管代谢调控网络提供了分子依据。
创新点
首次系统鉴定橡胶树胶乳中24个MADS-box基因并分类；发现8个在乳管细胞高表达的MADS-box基因；首次证明HbMADS24是I型MADS-box转录因子，可直接结合并激活HbFPS1启动子，参与天然橡胶生物合成调控。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 | MADS-box转录因子调控网络 | — | MADS-box蛋白家族 | 调控 | 作为系统发育分析的参考物种 |
| 水稻 | MADS-box转录因子调控网络 | — | MADS-box蛋白家族 | 调控 | 作为系统发育分析的参考物种 |
| 橡胶树 | 天然橡胶生物合成（甲羟戊酸途径） | HbMADS1-HbMADS24 | MADS-box转录因子 | 调控 | 在胶乳转录组中鉴定到24个MADS-box基因，其中8个在乳管细胞高表达 |
| 橡胶树 | 天然橡胶生物合成（甲羟戊酸途径） | HbFPS1 | 法尼基焦磷酸合酶（FPS） | 催化 | 橡胶树乳管细胞中高表达，参与天然橡胶前体法尼基焦磷酸合成 |
| 烟草 | 双荧光素酶报告系统 | — | HbMADS24 | 调控 | 瞬时表达实验证明HbMADS24可激活HbFPS1启动子，LUC/REN显著升高 |
| 酿酒酵母 | 酵母单杂交 | — | HbMADS24 | 调控 | 酵母单杂交证明HbMADS24可结合HbFPS1启动子 |
| 洋葱表皮细胞 | 亚细胞定位 | — | HbMADS24-GFP融合蛋白 | 调控 | GFP信号定位于细胞核，证明HbMADS24为核定位转录因子 |
关键发现
- 共鉴定24个MADS-box基因（4个type I，20个type II），其中type II包含MIKC*（8个）和MIKC^*（12个）亚型
- 编码蛋白长度173-366 aa，分子量20.4-41.18 kDa，pI 5.04-10.14
- 20个type II基因含7-11个外显子，4个type I基因仅含1个外显子
- 组织表达分析显示HbMADS3、5、6、7、9、13、23、24在乳管细胞高表达
- MeJA处理上调HbMADS3、HbMADS5、HbMADS24表达（9h或12h），ABA处理12h上调HbMADS9表达，SA处理轻微上调HbMADS9和HbMADS24
- 亚细胞定位证实HbMADS24定位于细胞核
- 酵母单杂交证明HbMADS24可结合HbFPS1启动子（在含70 mM 3-AT的SD/-Trp/-His/-Leu培养基上生长）
- 双荧光素酶实验显示HbMADS24使HbFPS1启动子荧光素酶活性显著增加（**P<0.01）。
研究结论
HbMADS24是橡胶树乳管细胞中高表达的I型MADS-box转录因子，能够结合并激活HbFPS1启动子，从而可能正向调控天然橡胶生物合成，为阐明橡胶生物合成的分子调控网络提供了新依据。