Coactivation of MEP-biosynthetic genes and accumulation of abietane diterpenes in Salvia sclarea by heterologous expression of WRKY and MYC2 transcription factors
- 作者
- Mariaevelina Alfieri, Maria Carmela Vaccaro, Elisa Cappetta, Alfredo Ambrosone, Nunziatina De Tommasi, Antonietta Leone
- 杂志
- Scientific Reports（2018）
- DOI
- 10.1038/s41598-018-29389-4
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
提高Salvia sclarea毛状根中具有生物活性的abietane二萜类化合物的积累量，这些化合物在天然植物中含量低，限制了其药物开发应用。
研究策略
通过农杆菌介导的转化，在S. sclarea毛状根中异源表达拟南芥转录因子AtWRKY18、AtWRKY40和AtMYC2，分析其对MEP途径基因表达及abietane二萜积累的影响。
核心内容
本研究通过在药用植物 Salvia sclarea 毛状根中异源表达拟南芥转录因子 AtWRKY18、AtWRKY40 和 AtMYC2，探索提升具有生物活性的 abietane 二萜类化合物积累的代谢工程策略。结果显示，过表达 AtWRKY40 可显著提高 aethiopinone 产量达 4.2 倍（超过 6 mg/L），总 abietane 二萜含量提高 4 倍以上，且不影响毛状根生长；AtMYC2 过表达使总二萜含量提升超过 5 倍，但严重抑制生长；AtWRKY18 过表达提升总含量超过 2 倍。机制上，AtWRKY40 过表达激活 MEP 途径关键基因 SsDXS 表达上调 3 倍以上，AtWRKY18 过表达系中 SsCPPS 上调约 5 倍，AtMYC2 系中 SsDXS 和 SsCPPS 分别上调 5 倍和 4 倍以上。研究表明 AtWRKY40 是提高 S. sclarea 毛状根二萜产量的有效工具，而 AtMYC2 需借助诱导型启动子避免生长抑制，该策略可推广至其他鼠尾草属物种。
创新点
首次在S. sclarea中利用WRKY转录因子进行abietane二萜的代谢工程；发现AtWRKY40过表达能显著提高aethiopinone产量且不抑制生长；揭示了AtMYC2作为强转录激活剂但抑制生长的双重效应。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Salvia sclarea hairy roots | 茉莉酸信号通路/MEP途径调控 | AtWRKY18 | WRKY18转录因子 | 调控 | 异源表达自拟南芥，过表达激活多个MEP途径基因 |
| Salvia sclarea hairy roots | 茉莉酸信号通路/MEP途径调控 | AtWRKY40 | WRKY40转录因子 | 调控 | 异源表达自拟南芥，过表达优先激活SsDXS和SsCPPS |
| Salvia sclarea hairy roots | 茉莉酸信号通路/MEP途径调控 | AtMYC2 | MYC2转录因子 | 调控 | 异源表达自拟南芥，强转录激活因子，但严重抑制毛状根生长 |
| Salvia sclarea hairy roots | MEP途径（2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸途径） | SsDXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | MEP途径第一个限速酶，被AtMYC2和AtWRKY40上调 |
| Salvia sclarea hairy roots | MEP途径（2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸途径） | SsDXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | MEP途径酶，被AtWRKY18和AtMYC2上调 |
| Salvia sclarea hairy roots | MEP途径（2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸途径） | SsCMK | 4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶 | 催化 | MEP途径酶，在各过表达系中表达变化不显著 |
| Salvia sclarea hairy roots | MEP途径（2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸途径） | SsHDS | 羟甲基丁烯基-4-二磷酸合酶 | 催化 | MEP途径酶，被AtWRKY18和AtMYC2上调 |
| Salvia sclarea hairy roots | MEP途径（2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸途径） | SsGGPPS | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化GGPP合成，被AtWRKY18和AtMYC2上调 |
| Salvia sclarea hairy roots | 二萜生物合成（MEP下游） | SsCPPS | 柯巴基焦磷酸合酶 | 催化 | 首个二萜特异性酶，被所有三个TF上调，尤其是AtWRKY18和AtMYC2 |
关键发现
- AtWRKY40过表达使aethiopinone产量提高4.2倍（>6 mg/L），总abietane二萜含量提高>4倍
- AtMYC2过表达使总abietane含量提高>5倍
- AtWRKY18使总含量提高>2倍。在AtWRKY18过表达系中SsCPPS表达上调约5倍
- AtMYC2过表达系中SsDXS上调5倍，AtMYC2-10系中SsCPPS上调>4倍
- AtWRKY40过表达系中SsDXS上调>3倍。在拟南芥中，MJ处理后AtWRKY40表达上调>80倍（1小时）、AtWRKY18上调>15倍（30分钟）、AtMYC2上调>5倍（30分钟）。
研究结论
异源表达AtWRKY40是提高S. sclarea毛状根中abietane二萜（尤其是aethiopinone）产量的有效策略，且不严重影响毛状根生长；AtMYC2虽能大幅提升化合物含量但严重抑制生长，需采用诱导型启动子优化。该策略可推广至其他Salvia物种。