Selection of a subspecies-specific diterpene gene cluster implicated in rice disease resistance
- 作者
- Chuansong Zhan, Long Lei, Zixin Liu, Shen Zhou, Chenkun Yang, Xitong Zhu, Hao Guo, Feng Zhang, Meng Peng, Meng Zhang, Yufei Li, Zixin Yang, Yangyang Sun, Yuheng Shi, Kang Li, Ling Liu, Shuangqian Shen, Xuyang Wang, Jiawen Shao, Xinyu Jing, Zixuan Wang, Yi Li, Tomasz Czechowski, Morifumi Hasegewa, Ian Graham, Takayuki Tohge, Lianghuan Qu, Xianqing Liu, Alisdair R. Fernie, Ling-Ling Chen, Meng Yuan, Jie Luo
- 单位
- National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement and National Center of Plant Gene Research (Wuhan), Huazhong Agricultural University; College of Tropical Crops, Hainan University; Centre for Novel Agricultural Products, Department of Biology, University of York; College of Agriculture, Ibaraki University; Graduate School of Biological Sciences, Nara Institute of Science and Technology; Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology
- 杂志
- Nature Plants（2020）
- DOI
- 10.1038/s41477-020-00816-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
鉴定水稻中编码5,10-二酮-casbene（一种casbene型二萜类植保素）生物合成途径的基因簇DGC7，阐明其表观遗传调控、结构变异、起源和在水稻亚种驯化过程中的选择机制。
研究策略
整合代谢组全基因组关联分析（mGWAS）、比较基因组分析、基因功能表征（重组蛋白表达、异源表达、体内酶活）、系统发育分析、群体遗传学分析以及JMJ705相关表观遗传学实验，揭示DGC7的组成、功能和进化。
研究路线图
核心内容
该研究通过整合代谢组全基因组关联分析、比较基因组学和群体遗传学等方法，鉴定出水稻第7号染色体上约140 kb区域内的二萜基因簇DGC7，完整编码了从香叶基香叶基焦磷酸（GGDP）合成5,10-二酮-casbene的途径。功能表征证实OsTPS28为casbene合酶，其以GGDP为底物时的Km为5.16 μM；同时鉴定出OsCYP71Z21为casbene C10氧化酶，填补了药用casbene衍生物生物合成中的关键酶空白。表达分析发现MeJA处理24小时后DGC7成员基因表达量均上升超过100倍，且该基因簇受组蛋白去甲基化酶JMJ705的直接表观遗传调控。群体遗传学分析显示，131/132的japonica品种积累5,10-二酮-casbene，而indica品种中仅5/271积累；完整DGC7在野生稻O. rufipogon中未检出，且位于japonica的选择性清除区域。研究表明DGC7在Oryza属中近期起源，并在japonica亚种驯化中被正向选择，其介导的二萜类植保素合成与水稻抗病性密切相关，为作物抗病育种提供了新的靶点。
创新点
首次发现水稻第7号染色体上的二萜基因簇DGC7完整编码5,10-二酮-casbene的合成途径；鉴定出OsCYP71Z21为casbene C10氧化酶，填补了药用casbene衍生物生物合成中的关键酶空白；揭示DGC7受MeJA介导的JMJ705直接表观遗传调控；通过系统进化分析证明DGC7在Oryza属中近期起源，并在japonica亚种驯化中被正向选择。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻（Oryza sativa） | 二萜类生物合成（casbene型植保素） | OsTPS28 | OsTPS28（casbene合酶） | 催化 | 催化GGDP单环化形成casbene，定位于质体，Km=5.16 μM，Kcat=0.0236 s⁻¹ |
| 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae） | 二萜类生物合成（casbene型植保素） | OsCYP71Z2 | OsCYP71Z2（casbene C5氧化酶） | 催化 | 催化10-酮-casbene的C5位氧化生成5,10-二酮-casbene |
| 本氏烟（Nicotiana benthamiana） | 二萜类生物合成（casbene型植保素） | OsCYP71Z21 | OsCYP71Z21（casbene C10氧化酶） | 催化 | 催化casbene C10氧化生成10-酮-casbene，在酵母中无活性，在本氏烟中验证 |
| 水稻（Oryza sativa） | 二萜类生物合成（casbene型植保素） | OsCYP71Z22 | OsCYP71Z22 | 催化 | 与OsCYP71Z21同源（76.15%相似性），但以casbene为底物无活性 |
| 水稻（Oryza sativa） | 二萜类生物合成（casbene型植保素） | OsCYP71Z30 | OsCYP71Z30 | 催化 | 与OsCYP71Z2同源（70.42%相似性），以casbene为底物无活性 |
| 水稻（Oryza sativa） | 表观遗传调控 | JMJ705 | JMJ705（组蛋白去甲基化酶） | 调控 | 受到MeJA诱导，去除DGC7成员基因上的H3K27me3标记，从而激活基因表达 |
| 水稻（Oryza sativa） | 二萜类生物合成（casbene型植保素） | GGDP | 香叶基香叶基焦磷酸（GGDP） | 能量供给 | 二萜生物合成的共同前体 |
关键发现
- DGC7位于水稻第7号染色体约140kb区域，包含OsTPS28、OsCYP71Z2、OsCYP71Z21、OsCYP71Z22和OsCYP71Z30候选基因
- 大部分japonica品种（131/132）积累5,10-二酮-casbene，而大部分indica品种（266/271）不积累
- OsTPS28重组蛋白以GGDP为底物生成casbene，Km为5.16 μM，Kcat为0.0236 s⁻¹
- OsTPS28过表达水稻中5,10-二酮-casbene含量增加约1.9倍，敲除株检测不到
- MeJA处理24小时后OsTPS28、OsCYP71Z21、OsCYP71Z2的表达量均上升超过100倍
- JMJ705过表达提高5,10-二酮-casbene含量，RNAi降低含量
- 完整DGC7在japonica品种中富集（102/109），在indica中较少（13/313），且在O. rufipogon中未发现完整DGC7
- DGC7位于japonica的selective sweep区域。
研究结论
DGC7是水稻免疫相关的一个新的二萜类基因簇，其完整通路从GGDP合成5,10-二酮-casbene；该基因簇受MeJA通过JMJ705进行表观遗传调控，并在japonica亚种驯化过程中被正向选择，可能与水稻抗病性密切相关。