RNA-seq reveals mechanisms of SIMX1 for enhanced carotenoids and terpenoids accumulation along with stress resistance in tomato
- 作者
- Mohamed Ewas, Yangqiang Gao, Farhan Ali, Elsayed M. Nishawy, Raheel Shahzad, Hizar Subthain, Mohamed Amar, Cathie Martin, Jie Luo
- 单位
- 国家作物遗传改良重点实验室和国家植物基因研究中心（武汉），华中农业大学生命科学与技术学院，武汉 430070，中国；埃及沙漠研究中心基因资源部，埃及沙漠基因库，开罗，埃及；英国诺里奇研究园，约翰·英纳斯中心，诺里奇 NR4 7UH，英国
- 杂志
- Science Bulletin（2017）
- DOI
- 10.1016/j.scib.2017.03.018
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
揭示 SIMX1 转录因子在番茄中同时提高类胡萝卜素和萜类积累以及增强广谱抗逆性的分子调控机制。
研究策略
利用 RNA-seq 转录组分析 SIMX1 过表达（OE）和 RNAi 番茄株系中差异表达基因，结合 GC-MS 测定萜类含量、扫描电镜观察毛状体形态、酵母单杂交验证 SIMX1 与靶基因启动子的结合，以及多种病虫害和盐旱胁迫抗性鉴定。
核心内容
该研究通过RNA-seq转录组分析结合GC-MS代谢物检测、扫描电镜观察和酵母单杂交实验，系统解析了番茄转录因子SIMX1同时提高类胡萝卜素和萜类积累并增强广谱抗逆性的分子机制。研究发现SIMX1过表达株系中单萜β-水芹烯、α-萜品烯和3-蒈烯含量分别达到野生型的11、6和1.5倍，倍半萜α-石竹烯、β-石竹烯和δ-榄香烯均为野生型的2至3倍。RNA-seq共鉴定出约36个萜类合成基因和23个类胡萝卜素合成基因上调表达。酵母单杂交证明SIMX1可直接结合SST1、SIDREB、PSY1、PDS、ZDS等基因启动子并激活其转录。在抗性鉴定中，过表达株系叶片对甜菜夜蛾完全无取食，而RNAi株系损伤面积达50%；细菌性枯萎病病斑面积在过表达株系仅10%，野生型为70%，RNAi株系达80%。此外，防御标记基因PR1和PS4在过表达株系中表达量提高2.5倍，HERO基因提高8倍。该研究表明SIMX1是一个多效调控因子，通过直接激活萜类和类胡萝卜素合成关键基因同时增强毛状体物理防御和萜类化学防御，为番茄品质改良和广谱抗逆育种提供了新策略。
创新点
1. 首次报道 SIMX1 过表达产生两种异常类型III毛状体；2. 通过 RNA-seq 揭示了 SIMX1 调控萜类和类胡萝卜素合成及抗逆性的分子网络；3. 证明 SIMX1 可直接结合 SST1、SIDREB、PSY1、PDS、ZDS 等基因启动子并激活其表达；4. 证明 SIMX1 通过物理防御（毛状体）和化学防御（萜类）增强广谱抗性。
研究对象（19）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 类胡萝卜素/萜类生物合成调控 | SIMX1 | MIXTA-like MYB转录因子 | 调控 | 转录因子，调控毛状体形成及次生代谢 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 萜类生物合成 | SST1 (TPS9) | 倍半萜合酶 | 催化 | SIMX1 直接结合其启动子 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 萜类生物合成 | TPS5 (MTS1) | 单萜合酶 | 催化 | 受 SIMX1 调控表达上调 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 类胡萝卜素生物合成 | PSY1 | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | SIMX1 直接结合其启动子 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 类胡萝卜素生物合成 | PDS | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | SIMX1 直接结合其启动子 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 类胡萝卜素生物合成 | ZDS | ζ-胡萝卜素脱氢酶 | 催化 | SIMX1 直接结合其启动子 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 类胡萝卜素生物合成 | CRTISO | 类胡萝卜素异构酶 | 催化 | RNA-seq 显示上调 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 类胡萝卜素生物合成 | LCY-b | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | RNA-seq 显示上调 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 类胡萝卜素生物合成 | LCY-e | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | RNA-seq 显示上调 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 类胡萝卜素生物合成 | CRTR-B1 | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | RNA-seq 显示上调 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 类胡萝卜素生物合成 | VDE | 紫黄质脱环氧化酶 | 催化 | RNA-seq 显示上调 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 萜类生物合成 (MVA途径) | AACT | 乙酰辅酶A酰基转移酶 | 催化 | 上游异戊二烯途径 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 萜类生物合成 (MVA途径) | HMGS | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶 | 催化 | 上游异戊二烯途径 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | GGPS | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶 | 催化 | 参与MVA和MEP途径共同下游 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 萜类生物合成 (MEP途径) | DXS1 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶1 | 催化 | MEP途径关键酶 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 萜类生物合成 (MEP途径) | DXS2 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶2 | 催化 | MEP途径关键酶 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 逆境信号转导 | DREB2 (SIDREB) | 脱水应答元件结合蛋白 | 调控 | SIMX1 直接结合其启动子，调控干旱和盐胁迫耐受 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 逆境信号转导 | MAPK1 | 丝裂原活化蛋白激酶1 | 调控 | 参与非生物胁迫信号，在OE中表达上调 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig | 逆境信号转导 | MAPK3 | 丝裂原活化蛋白激酶3 | 调控 | 参与非生物胁迫信号，在OE中表达上调 |
关键发现
- SIMX1 过表达使单萜（β-水芹烯、α-萜品烯、3-蒈烯）含量分别为野生型的
- 6、1.5 倍，倍半萜（α-石竹烯、β-石竹烯、δ-榄香烯）分别为
- 2、2 倍；RNA-seq 鉴定出约 36 个萜类合成相关基因和 23 个类胡萝卜素合成相关基因上调；酵母单杂交证明 SIMX1 直接结合 SST1、SIDREB、PSY1、PDS、ZDS 启动子；抗虫实验中，甜菜夜蛾对 RNAi 叶片损伤面积达 50%，野生型 25%，OE 叶片无取食；抗细菌性枯萎病病斑面积 OE 为 10%，WT 为 70%，RNAi 为 80%；对晚疫病 WT 病斑 4%，RNAi 12%；对灰霉病 WT 22%，RNAi 64%；TMV 病斑 OE 4%，WT 40%，RNAi 90%；防御标记基因 PR1 和 PS4 在 OE 中表达量比 WT 高
- 5 倍，RNAi 中降低 2 倍；HERO 在 OE 中高 8 倍，RNAi 中低 2 倍。
研究结论
SIMX1 是一个多效调控因子，通过直接结合并激活萜类和类胡萝卜素合成关键基因的启动子，同时增强毛状体密度和萜类化学防御，从而在提高番茄营养品质的同时赋予广谱抗逆性，为作物改良提供了新策略。