A redundant transcription factor network steers spatiotemporal Arabidopsis triterpene synthesis
- 作者
- Trang Hieu Nguyen, Louis Thiers, Alex Van Moerkercke, Yuechen Bai, Patricia Fernandez-Calvo, Max Minne, Thomas Depuydt, Kevin Verstaan, Gert Van Isterdael, Hans-Wilhelm Nützmann, Anne Osbourn, Yvan Saeys, Bert De Rybel, Klaas Vandepoele, Andrés Ritter, Alain Goossens
- 单位
- Department of Plant Biotechnology and Bioinformatics, Ghent University, Ghent, Belgium; VIB Center for Plant Systems Biology, Ghent, Belgium; Plant Sciences Unit, Flanders Research Institute for Agriculture, Fisheries and Food (ILVO), Melle, Belgium; Department of Applied Mathematics, Computer Science and Statistics, Ghent University, Ghent, Belgium; VIB Center for Inflammation Research, Data Mining and Modelling for Biomedicine, Ghent, Belgium; VIB Flow Core, VIB Center for Inflammation Research, Ghent, Belgium; Department of Biomedical Molecular Biology, Ghent University, Ghent, Belgium; Department of Biochemistry and Metabolism, John Innes Centre, NR4 7UH Norwich, United Kingdom; Department of Biology and Biochemistry, The Milner Centre for Evolution, University of Bath, BA2 7AY Bath, United Kingdom; Bioinformatics Institute Ghent, Ghent University, Technologiepark 71, 9052 Ghent, Belgium; School of Life Sciences, Fudan University, Shanghai 200438, P.R. China; Misión Biolóxica de Galicia, CSIC, Pontevedra, Spain; Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas, Universidad Politécnica de Madrid (UPM)- Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria (INIA), Campus Montegancedo UPM, 28223 Pozuelo de Alarcón (Madrid), Spain
- 杂志
- Nature Plants（2023）
- DOI
- 10.1038/s41477-023-01419-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析拟南芥根尖三萜类化合物生物合成基因簇细胞特异性表达的转录调控机制
研究策略
结合单细胞RNA测序、转录因子结合基序预测、CRISPR-Cas9基因编辑、瞬时表达分析及代谢物检测，系统鉴定调控三萜生物合成的转录因子及其相互作用
核心内容
本研究以拟南芥根尖为对象，解析了三萜类生物合成基因簇细胞特异性表达的转录调控机制。通过单细胞RNA测序发现thalianol和marneral两条生物合成基因簇仅在外层细胞（根冠、表皮等）表达；结合转录因子基序预测、CRISPR-Cas9基因编辑和瞬时表达分析，系统鉴定了调控网络成员。50 μM茉莉酸处理6小时可依赖COI1强烈诱导基因簇表达，MYC2能将ProTHAS、ProTHAO和ProMRO启动子活性激活至少5倍。myc2/3/4三突变体中茉莉酸诱导的thalianol积累显著低于野生型，bHLH clade IVa四突变体中基因簇基础表达和诱导表达均降低，mycT;bHLHIVq七突变体进一步降至接近coi1-16弱等位基因水平。DAG1过表达抑制多数基因簇表达，gl2突变体中marneral和thalianol基因簇表达下调。研究提出“激活因子（MYC与bHLH IVa）＋共激活因子（HDG类如GL2）＋抑制因子（DOF类如DAG1）”协同决定三萜空间表达的模型，揭示了冗余转录因子网络确保根尖外层组织三萜适时适地合成的稳健调控机制。
创新点
揭示了由MYC与bHLH clade IVa转录因子冗余激活、HDG因子共激活、DAG1等DOF因子抑制的细胞特异性调控网络，提出了“激活因子+共激活因子+抑制因子”协同决定三萜基因空间表达的模型
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥（Col-0）根尖 | thalianol生物合成途径 | THAS, THAH, THAO | Thalianol合酶等 | 催化 | 三萜合酶及修饰酶，受JA诱导，表达限于根尖外层细胞 |
| 拟南芥（Col-0）根尖 | marneral生物合成途径 | MRN1, CYP705A12, MRO | Marneral合酶等 | 催化 | 同样受JA诱导，表达于根冠、表皮等外层细胞 |
| 拟南芥（Col-0）根尖 | 茉莉酸信号通路 | MYC2, MYC3, MYC4 | MYC2/MYC3/MYC4 bHLH转录因子 | 调控 | JA响应核心激活因子，直接结合三萜BGC基因启动子并激活转录 |
| 拟南芥（Col-0）根尖 | 茉莉酸信号通路 | COI1 | COI1 F-box蛋白 | 调控 | JA受体核心组分，coi1突变削弱JA对三萜BGC的诱导 |
| 拟南芥（Col-0）根尖 | 三萜生物合成调控 | bHLH18, bHLH19, bHLH20, bHLH25 | bHLH clade IVa转录因子 | 调控 | 与MYC冗余激活三萜BGC表达，自身受JA诱导且依赖COI1和MYC |
| 拟南芥（Col-0）根尖 | 三萜生物合成调控 | GL2, HDG2, HDG5 | HDG转录因子 | 调控 | 作为共激活因子增强MYC/bHLH对三萜BGC启动子的激活 |
| 拟南芥（Col-0）根尖 | 三萜生物合成调控 | DAG1, vDOF1 | DOF转录因子 | 调控 | DAG1作为抑制因子限制三萜BGC在根尖内层表达，过表达可抑制JA诱导 |
关键发现
- JA（50 μM，6 h）显著诱导拟南芥根尖thalianol和marneral BGC基因表达，且依赖于COI1
- 单细胞RNA-seq显示BGC基因仅在外层细胞（根冠、表皮等）表达
- MYC2可至少5倍激活ProTHAS、ProTHAO和ProMRO启动子活性
- mycT（myc2/3/4三突变体）中JA诱导的thalianol积累显著低于野生型
- bHLH clade IVa四突变体（bHLHIVq）中三萜BGC基因的基础表达和JA诱导均降低，mycT
- bHLHIVq七突变体进一步降低至接近coi1-16弱等位基因水平
- DAG1过表达（35S:DAG1）在JA处理下使多数三萜BGC基因表达显著降低
- gl2突变体（gl2-5、gl2-3）中marneral和thalianol BGC的基础表达及JA诱导均下降，以marneral BGC最明显
研究结论
拟南芥根尖三萜生物合成由冗余的bHLH转录因子（MYC与clade IVa）在HDG类共激活因子（如GL2）协助下激活，同时受DOF类抑制因子（如DAG1）约束，从而形成稳健的细胞特异性表达调控网络，确保三萜在根尖外层组织适时适地合成