Transcriptome-wide identification and screening of WRKY factors involved in the regulation of taxol biosynthesis in Taxus chinensis
- 作者
- Meng Zhang, Ying Chen, Lin Nie, Xiaofei Jin, Weifang Liao, Shengying Zhao, Chunhua Fu, Longjiang Yu
- 杂志
- Scientific Reports（2018）
- DOI
- 10.1038/s41598-018-23558-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
鉴定红豆杉（Taxus chinensis）中调控紫杉醇生物合成的WRKY转录因子，并解析其功能与作用机制。
研究策略
利用隐马尔可夫模型（HMM）从红豆杉转录组数据中全转录组范围鉴定WRKY因子，通过系统发育分析分类，结合MeJA和SA激素处理及过表达实验，筛选并验证候选TcWRKY对紫杉醇生物合成相关基因表达的调控作用。
核心内容
红豆杉中紫杉醇生物合成的转录调控机制尚不明确。为系统鉴定参与该过程的WRKY转录因子，研究者利用隐马尔可夫模型对红豆杉转录组进行了全范围扫描，共获得61个TcWRKY成员，经系统发育分析分为Group I（16个）、Group II（44个，其中IIa至IIe分别为8、10、14、5、7个）及Group III（1个）。MeJA处理3小时后，TcWRKY8、TcWRKY47等多数候选基因表达上调3.3至16.5倍，而SA处理6小时仅TcWRKY44和TcWRKY47显著上调。过表达实验表明，TcWRKY8和TcWRKY47可明显激活紫杉醇合成关键酶基因DBAT（最高提升5.4倍）与T5H（最高提升4.6倍），TcWRKY20和TcWRKY26亦发挥正调控作用，但TcWRKY44和TcWRKY52则显著抑制DBAT（最低至0.2倍）、T5H（最低至0.3倍）及TcERF12等基因表达。该研究首次在红豆杉中完成WRKY家族的系统鉴定，明确了TcWRKY8和TcWRKY47为正调控因子、TcWRKY44和TcWRKY52为负调控因子，为紫杉醇高产细胞系的定向改造提供了重要候选靶基因。
创新点
首次在红豆杉中进行转录组范围的WRKY转录因子鉴定；发现TcWRKY8和TcWRKY47显著促进紫杉醇生物合成相关基因表达，TcWRKY44和TcWRKY52为负调控因子；揭示了WRKYGKK变异体在IIc亚族中的存在。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus chinensis（红豆杉）细胞 | 紫杉醇生物合成 | TcWRKY8 | TcWRKY8蛋白 | 调控 | Group IIc转录因子，MeJA诱导上调，过表达上调DBAT、T5H、TcERF15，抑制TcERF12 |
| Taxus chinensis（红豆杉）细胞 | 紫杉醇生物合成 | TcWRKY20 | TcWRKY20蛋白 | 调控 | Group III转录因子，MeJA和SA处理响应，过表达上调DBAT、T5H、TcERF15和TcERF12 |
| Taxus chinensis（红豆杉）细胞 | 紫杉醇生物合成 | TcWRKY26 | TcWRKY26蛋白 | 调控 | Group I转录因子，过表达上调DBAT、T5H、TcERF15和TcERF12 |
| Taxus chinensis（红豆杉）细胞 | 紫杉醇生物合成 | TcWRKY41 | TcWRKY41蛋白 | 调控 | Group IIe转录因子，MeJA诱导上调，SA处理抑制 |
| Taxus chinensis（红豆杉）细胞 | 紫杉醇生物合成 | TcWRKY44 | TcWRKY44蛋白 | 调控 | Group IId转录因子，MeJA和SA处理后上调，过表达抑制DBAT、T5H、TcERF12和TcERF15 |
| Taxus chinensis（红豆杉）细胞 | 紫杉醇生物合成 | TcWRKY47 | TcWRKY47蛋白 | 调控 | Group IIa转录因子，MeJA和SA处理后上调，过表达上调DBAT、T5H、TcERF15，抑制TcERF12 |
| Taxus chinensis（红豆杉）细胞 | 紫杉醇生物合成 | TcWRKY52 | TcWRKY52蛋白 | 调控 | Group IIb转录因子，含EAR基序，过表达抑制DBAT、T5H、TcERF12，但上调TcERF15 |
| Taxus chinensis（红豆杉）细胞 | 紫杉醇生物合成 | DBAT | 10-脱乙酰巴卡亭III-10-β-O-乙酰转移酶 | 催化 | 紫杉醇生物合成关键酶基因，启动子含W-box，受TcWRKY调控 |
| Taxus chinensis（红豆杉）细胞 | 紫杉醇生物合成 | T5H | 紫杉烷5α-羟化酶 | 催化 | 紫杉醇生物合成关键酶基因，启动子含W-box，受TcWRKY调控 |
| Taxus chinensis（红豆杉）细胞 | 紫杉醇生物合成调控 | TcERF12 | TcERF12蛋白 | 调控 | AP2/ERF转录因子，负调控TASY基因，启动子含W-box |
| Taxus chinensis（红豆杉）细胞 | 紫杉醇生物合成调控 | TcERF15 | TcERF15蛋白 | 调控 | AP2/ERF转录因子，启动子含W-box，受TcWRKY调控 |
关键发现
- 从红豆杉转录组中共鉴定出61个TcWRKY转录因子，其中16个属于Group I，44个属于Group II（IIa 8个、IIb 10个、IIc 14个、IId 5个、IIe 7个），1个属于Group III。MeJA处理3小时后，TcWRKY8、TcWRKY20、TcWRKY26、TcWRKY41、TcWRKY44、TcWRKY47表达分别提高12.1、11.0、2.6、11.2、16.5、10.1倍
- SA处理6小时后，TcWRKY44和TcWRKY47分别提高3.3和4.8倍。过表达实验中，TcWRKY8、TcWRKY20、TcWRKY47、TcWRKY26分别使DBAT表达提高3.1、2.7、5.4、2.2倍，T5H表达提高4.6、2.8、4.1、1.5倍，TcERF15表达提高3.2、4.7、5.5、1.4倍
- TcWRKY20和TcWRKY26使TcERF12提高2.8倍
- 而TcWRKY47和TcWRKY8使TcERF12降低至0.4和0.8倍。TcWRKY44和TcWRKY52显著抑制DBAT（0.7和0.2倍）、T5H（0.4和0.3倍）、TcERF12（0.5和0.4倍）表达，TcWRKY44使TcERF15降至0.3倍，但TcWRKY52使TcERF15提高2.0倍。
研究结论
红豆杉中61个TcWRKY转录因子具有代表性，系统发育分析表明其可分为Group I、IIa-IIe和III。功能验证表明TcWRKY8和TcWRKY47是紫杉醇生物合成的正调控因子，TcWRKY44和TcWRKY52为负调控因子，TcWRKY20和TcWRKY26也发挥正调控作用，为紫杉醇生物合成调控提供了候选基因。