Characterization of Arabidopsis thaliana FLAVONOL SYNTHASE 1 (FLS1)-overexpression plants in response to abiotic stress
- 作者
- Nguyen Hoai Nguyen, Jun Hyeok Kim, Jaeyoung Kwon, Chan Young Jeong, Wonje Lee, Dongho Lee, Suk-Whan Hong, Hojoung Lee
- 单位
- Department of Biosystems and Biotechnology, College of Life Sciences and Biotechnology, Korea University; Institute of Life Science and Natural Resources, Korea University; Department of Molecular Biotechnology, College of Agriculture and Life Sciences, Bioenergy Research Center, Chonnam National University
- 杂志
- Plant Physiology and Biochemistry（2016）
- DOI
- 10.1016/j.plaphy.2016.03.010
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
通过过表达FLS1能否将类黄酮生物合成途径导向特定黄酮醇（如山奈酚、槲皮素）的积累，以及这种遗传操作对植物生长和非生物胁迫耐受性的影响。
研究策略
构建FLS1过表达（FLS1-OX）和FLS1pro:GUS转基因拟南芥，结合fls1-3突变体，通过qRT-PCR、DPBA染色、HPLC、UPLC-Q-ToF MS、GUS染色、根生长测定、DPPH等实验比较不同基因型在黄酮醇、花青素积累和胁迫响应上的差异。
核心内容
该研究系统表征了拟南芥FLS1过表达（FLS1-OX）植物的类黄酮代谢表型及其对非生物胁迫的响应。通过构建FLS1-OX和FLS1pro:GUS转基因株系，结合fls1-3突变体，利用HPLC、UPLC-Q-ToF MS、DPBA染色和GUS染色等手段分析不同基因型的代谢物积累与基因表达差异。结果显示，FLS1-OX幼苗根尖黄酮醇含量略高于野生型，但地上部含量明显降低；FLS1-OX #5中山奈酚与槲皮素比例发生反转，种子颜色由棕色变为浅棕色。fls1-3突变体花青素水平约为野生型2倍，pap1-D则达5倍，而FLS1-OX花青素显著低于野生型。ABA和甘露醇处理均降低根尖生长素响应，但FLS1表达不受ABA影响。DPPH实验显示fls1-3清除活性与野生型相近，低于pap1-D。这些结果表明，FLS1的过表达或沉默可重新定向类黄酮代谢流而不显著影响生长和胁迫耐受性，但简单过表达FLS1并不能有效提高总黄酮醇含量，提示其活性可能受翻译后调控或代谢通道化制约。
创新点
系统表征了拟南芥FLS1过表达植物的类黄酮代谢表型，发现FLS1过表达不仅降低花青素和地上部黄酮醇含量，还改变种子颜色（浅棕色）以及山奈酚/槲皮素比例；提出FLS1操作可重定向代谢流而不影响生长发育。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana, Col-0) | 类黄酮生物合成途径 | FLS1 (AT5G08640) | 黄酮醇合酶1 (FLS1) | 催化 | 过表达导致地上部黄酮醇和花青素降低，种子颜色变浅 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana, Col-0) | 类黄酮生物合成途径 | CHS (查尔酮合酶) | 查尔酮合酶 | 催化 | ABA诱导其表达，参与黄酮醇前体供应 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana, Col-0) | 类黄酮生物合成途径 | DFR (二氢黄酮醇4-还原酶) | 二氢黄酮醇4-还原酶 | 催化 | ABA诱导表达；FLS1-OX中DFR表达低于野生型 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana, Col-0) | 类黄酮生物合成途径 | PAP1 | PAP1转录因子 (MYB75) | 调控 | pap1-D突变体花青素积累为野生型5倍，自由基清除活性显著提高 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana, Col-0) | 类黄酮生物合成途径 | MYBL2 | MYBL2转录因子 | 调控 | 在fls1-3和FLS1-OX中表达高于野生型，可能涉及反馈调控 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana, Col-0) | 类黄酮生物合成途径 | UF3GT | 类黄酮3-O-葡萄糖基转移酶 | 催化 | 表达量在FLS1-OX、fls1-3和野生型中无显著差异 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana, Col-0) | 类黄酮生物合成途径 | TTG1 | TRANSPARENT TESTA GLABRA 1 | 调控 | ttg1突变体种子为亮黄色，缺乏原花青素 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana, Col-0) | 生长素信号 | DR5:GUS, DR5:GFP | 生长素响应报告系统 | 调控 | ABA和甘露醇减少根尖生长素响应，与黄酮醇积累相关 |
关键发现
- FLS1-OX幼苗根尖黄酮醇含量略高于野生型，但地上部黄酮醇含量明显低于野生型
- FLS1-OX #5中山奈酚与槲皮素比例反转（野生型山奈酚>槲皮素，FLS1-OX中槲皮素>山奈酚）
- fls1-3突变体花青素水平约为野生型的2倍，pap1-D约为野生型的5倍
- FLS1-OX幼苗花青素水平显著低于野生型
- FLS1-OX种子颜色从棕色变为浅棕色
- ABA（0.1μM）诱导CHS、DFR和COR15A表达但FLS1表达不受影响
- 1和0.5μM ABA显著降低根尖生长素响应，200mM甘露醇也降低根尖生长素响应
- fls1-3幼苗提取物的DPPH自由基清除活性与野生型相似，低于pap1-D
- FLS1启动子在花和芽中活性很强。
研究结论
FLS1的过表达或沉默可以重新定向类黄酮生物合成途径，例如促进花青素积累，且不显著影响植物生长和非生物胁迫耐受性；但简单过表达FLS1并不能有效提高总黄酮醇含量，需要进一步研究其翻译后调控和代谢通道化机制。