Transcription factor Agamous-like 12 from Arabidopsis promotes tissue-like organization and alkaloid biosynthesis in Catharanthus roseus suspension cells
- 作者
- Gregory Montiel, Christian Breton, Martine Thiersault, Vincent Burlat, Christian Jay-Allemand, Pascal Gantet
- 单位
- Université de Tours Unité sous Contrat reconnue par l'Institut National de la Recherche Agronomique, Facteurs de Transcription et Ingénierie Métabolique Végétale, UFR des Sciences et Techniques et UFR des Sciences Pharmaceutiques, Parc de Grandmont, 37200 Tours, France; Université de Tours EA 2106, Biomolécules et Biotechnologies Végétales, UFR des Sciences et Techniques, Laboratoire de Physiologie Végétale, Parc de Grandmont, 37200 Tours, France; Institut National de la Recherche Agronomique- Orléans, Unité Amélioration, Génétique et Physiologie Forestières, BP 20619 ARDON, F- 45166 Olivet cedex, France
- 杂志
- Metabolic Engineering（2006）
- DOI
- 10.1016/j.ymben.2006.10.001
- 所属领域
- 代谢工程/植物次生代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
长春花（Catharanthus roseus）未分化悬浮细胞不能合成单萜吲哚生物碱（TIAs）如阿吗碱（ajmalicine），因为缺乏组织/器官特异性分化所必需的转录调控。
研究策略
在长春花C20D悬浮细胞中异源表达拟南芥根特异性MADS-box转录因子AGL12（Agamous-like 12），通过诱导细胞组织样分化，激活TIA生物合成途径中萜类前体合成的关键基因，从而促进阿吗碱积累。
核心内容
该研究在长春花未分化悬浮细胞C20D中异源表达拟南芥根特异性MADS-box转录因子AGL12，以期通过诱导组织样分化恢复单萜吲哚生物碱（TIA）合成能力。结果显示，AGL12表达使悬浮细胞形成直径可达8 mm的球状薄壁组织样聚集体，并显著上调萜类前体合成关键基因Dxs和G10h，而Sls、Tdc、Str、Sgd等TIA途径其他基因表达变化不大。转基因细胞系均产生阿吗碱，其中最优的A3系含量约为根含量的二分之一，显著高于叶片、花和果实等器官，而对照C20D系低于检测限，空载体对照仅痕量。研究表明，AGL12通过选择性激活secologanin分支限速酶基因，克服了以往转录因子如ORCA3无法上调G10h的瓶颈，使未分化细胞获得组织样结构并合成目标产物。该工作首次证明器官分化相关转录因子可作为一种新型代谢工程工具，为利用未分化培养细胞生产植物次生代谢产物提供了新策略。
创新点
1. 首次证明器官/组织分化相关的转录因子（如AGL12）可作为代谢工程新工具，使未分化悬浮细胞获得组织样结构并合成特定次生代谢产物；2. 发现AGL12选择性上调Dxs和G10h两个萜类前体早期合成基因，而非整个TIA途径，从而克服了ORCA3等因子因不能上调G10h而无法合成TIA的限制。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus C20D悬浮细胞 | 单萜吲哚生物碱（TIA）生物合成调控 | Agll2 | AGL12（Agamous-like 12） | 调控 | 来自拟南芥的根特异性MADS-box转录因子，异源表达促进细胞组织样分化和阿吗碱产生 |
| Catharanthus roseus C20D悬浮细胞 | 萜类前体生物合成（MEP途径） | Dxs | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶（DXS） | 催化 | MEP途径第一步酶，AGL12表达显著上调其转录 |
| Catharanthus roseus C20D悬浮细胞 | 单萜吲哚生物碱（TIA）生物合成—secologanin分支 | G10h | 香叶醇10-羟化酶（G10H） | 催化 | 细胞色素P450酶，催化香叶醇羟化，AGL12表达显著上调其转录 |
| Catharanthus roseus C20D悬浮细胞 | 单萜吲哚生物碱（TIA）生物合成—secologanin分支 | Sls | 断马钱子苷合酶（SLS） | 催化 | 催化secologanin合成最后一步，在AGL12表达系中变化不大 |
| Catharanthus roseus C20D悬浮细胞 | 单萜吲哚生物碱（TIA）生物合成—色胺分支 | Tdc | 色氨酸脱羧酶（TDC） | 催化 | 催化色氨酸脱羧形成色胺，在AGL12表达系中轻微上调 |
| Catharanthus roseus C20D悬浮细胞 | 单萜吲哚生物碱（TIA）生物合成—中心步骤 | Str | 异胡豆苷合酶（STR） | 催化 | 催化色胺与secologanin缩合生成异胡豆苷，在AGL12表达系中无显著变化 |
| Catharanthus roseus C20D悬浮细胞 | 单萜吲哚生物碱（TIA）生物合成—中心步骤 | Sgd | 异胡豆苷β-D-葡萄糖苷酶（SGD） | 催化 | 催化异胡豆苷水解，在AGL12表达系中轻微下降 |
关键发现
- AGL12表达使C20D悬浮细胞形成直径可达8 mm的球状薄壁组织样聚集体，但不能单独诱导完整根形态分化
- AGL12表达导致Dxs和G10h基因表达显著上调，而Sls、Tdc、Str和Sgd表达改变不大
- 表达AGL12的转基因细胞系（A1-A4）均产生阿吗碱，其中最优A3系的阿吗碱含量高于植物叶片、花、果实等器官，约为根含量的1/2（约比根低2倍）
- 对照C20D系阿吗碱含量低于检测限，空载体对照C系仅产生痕量阿吗碱
- 转基因细胞系中Agll2 mRNA大小为0.9 kb，Southern blot证实多个独立插入事件。
研究结论
AGL12可在长春花未分化悬浮细胞中诱导薄壁组织样分化并促进阿吗碱合成，主要通过上调secologanin途径的限速酶基因Dxs和G10h实现。表明组织/器官分化相关的转录因子有望成为代谢工程中调控细胞、组织或器官特异性次生代谢的新工具。