Jasmonates are signals in the biosynthesis of secondary metabolites - Pathways, transcription factors and applied aspects - A brief review
- 作者
- Claus Wasternack, Miroslav Strnad
- 单位
- Department of Molecular Signal Processing, Leibniz Institute of Plant Biochemistry; Laboratory of Growth Regulators, Centre of the Region Haná for Biotechnological and Agricultural Research, Institute of Experimental Botany AS CR & Palacký University
- 杂志
- New Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1016/j.nbt.2017.09.007
- 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
茉莉酸(JAs)作为植物防御和发育信号，如何调控多种次生代谢物（如尼古丁、萜类吲哚生物碱、花青素、硫代葡萄糖苷和青蒿素）的生物合成，以及这一调控机制在代谢工程中的应用。
研究策略
综述JA生物合成、感知（SCFCOI1-JAZ共受体）、信号转导及MYC/MYB/AP2-ERF等转录因子在多种次生代谢途径的调控作用，并以青蒿素为例说明植物细胞工厂的生物技术应用。
核心内容
茉莉酸类激素作为植物体内重要的防御与发育信号，通过SCFCOI1-JAZ共受体感知并启动信号转导，其核心机制在于JAZ蛋白在无信号时抑制MYC2等转录因子，而在激素存在时解除抑制，进而激活下游次生代谢基因的表达。该综述系统梳理了MYC/MYB和AP2-ERF家族转录因子构成的层级调控网络，其中MYC2与ORCA3/4/5、BIS1/2等因子协同，分别控制尼古丁、萜类吲哚生物碱和环烯醚萜等分支途径。在应用层面，过表达长春花CrORCA4或CrBIS1/2可显著提高毛状根中萜类吲哚生物碱的积累，而过表达AOC则提升了黄花蒿青蒿素产量。尤其值得关注的是，通过解析该信号通路，酵母中已于2006年实现青蒿酸生产，2012年赛诺菲据此生产39吨青蒿酸，相当于4000万疗程用药。这些进展表明，深入理解茉莉酸调控机制为利用代谢工程和合成生物学高效生产药用次生代谢物提供了清晰的改造靶点和可行路径。
创新点
系统总结了JAZ-MYC转录模块在生长-防御平衡中的核心作用；揭示了MYC2、ORCA3/4/5、BIS1/2等转录因子的层级调控网络，以及这些机制在异源合成次生代谢物中的应用。
研究对象（17）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | JA生物合成 | AOS, AOC, OPR3, ACX1 | AOS, AOC, OPR3, ACX1 | 催化 | JA合成关键酶，分别催化亚麻酸氧化、环化、环戊烯酮还原及β-氧化 |
| 拟南芥 | JA信号感知 | COI1 | COI1 | 调控 | SCFCOI1复合物F-box蛋白，识别JA-Ile，靶向JAZ降解 |
| 拟南芥 | JA信号转导 | JAZ1, JAZ3, JAZ4, JAZ9, JAZ10 | JAZ蛋白 | 调控 | 负调控因子，直接抑制MYC转录因子活性 |
| 拟南芥 | JA信号转导 | MYC2, MYC3, MYC4 | MYC2, MYC3, MYC4 | 调控 | bHLH转录因子，激活JA响应基因，与MED25互作 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum / N. benthamiana) | 尼古丁生物合成 | PMT, MPO, ODC | PMT, MPO, ODC | 催化 | 吡咯烷环合成酶系 |
| 烟草 | 尼古丁生物合成 | ERF189, ORC1/ERF221, JAP1/ERF10 | ERF189, ORC1, JAP1 | 调控 | AP2/ERF转录因子，通过NIC2位点激活尼古丁合成基因 |
| 长春花 (Catharanthus roseus) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成 | TDC, STR | TDC, STR | 催化 | 色氨酸脱羧酶和异胡豆苷合成酶，连接两条分支途径 |
| 长春花 | TIA生物合成 | ORCA2, ORCA3, ORCA4, ORCA5 | ORCA2, ORCA3, ORCA4, ORCA5 | 调控 | AP2/ERF转录因子，受CrMYC2调控，激活TIA途径多个基因 |
| 长春花 | TIA-环烯醚萜分支 | BIS1, BIS2 | BIS1, BIS2 | 调控 | bHLH转录因子，特异激活环烯醚萜途径基因及MEP途径基因 |
| 拟南芥 | 花青素生物合成 | PAL, CHS | PAL, CHS | 催化 | 苯丙氨酸解氨酶和查尔酮合酶，花青素合成关键酶 |
| 拟南芥 | 花青素生物合成 | TT8, GL3, EGL3, MYBL2, GL1 | TT8, GL3, EGL3, MYBL2, GL1 | 调控 | WD-repeat/bHLH/MYB复合物组分，受JAZ蛋白直接调控 |
| 拟南芥 | 硫代葡萄糖苷(GS)生物合成 | CYP79B2, CYP79B3, CYP79F1, CYP79F2, UGT74B1, SOT16/17/18 | CYP79B2/3, CYP79F1/2, UGT74B1, SOT16/17/18 | 催化 | P450氧化酶、糖基转移酶和磺基转移酶，GS核心途径酶 |
| 拟南芥 | 硫代葡萄糖苷生物合成 | MYB28, MYB29, MYB51, MYB34, MYB122 | MYB28, MYB29, MYB51, MYB34, MYB122 | 调控 | R2R3-MYB转录因子，分别调控脂肪族和吲哚族GS合成基因 |
| 黄花蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | ADS, CYP71AV1 | ADS, CYP71AV1 | 催化 | 紫穗槐二烯合酶和细胞色素P450氧化酶，生成青蒿酸的前体 |
| 黄花蒿 | 青蒿素生物合成 | AaMYC2, AaGSW1 | AaMYC2, AaGSW1 | 调控 | bHLH和WRKY转录因子，JA依赖性地激活青蒿素合成基因 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 青蒿酸异源合成 | ADS, CYP71AV1, CPR | ADS, CYP71AV1, CPR | 催化 | 异源表达酵母生产青蒿酸前体，2012年实现39吨产量 |
| 拟南芥 | JA转运 | JAT1, GTR1, COMATOSE | JAT1, GTR1, COMATOSE | 转运 | JA-Ile跨膜运输及核内转运蛋白 |
关键发现
- 茉莉酸信号通过SCFCOI1-JAZ共受体感知，JAZ蛋白抑制MYC2等转录因子，从而调控次生代谢基因表达
- 八重突变体jazQmycT揭示JAZ-MYC模块的转录层级
- 在酵母中2006年实现青蒿酸生产，2012年SANOFI生产39吨青蒿酸，相当于4000万疗程
- 过表达CrORCA4显著增加长春花毛状根中TIA积累；过表达CrBIS1或CrBIS2增加环烯醚萜途径基因表达和TIA积累
- 过表达AOC提高黄花蒿青蒿素产量
- 异源表达芸苔属植物抗毒素brassinin相关基因可在本氏烟草中诱导brassinin形成
- 甲基茉莉酸处理可提高小白菜中吲哚硫代葡萄糖苷水平。
研究结论
茉莉酸信号通过复杂的转录因子网络调控多种次生代谢物生物合成，深化了对该调控机制的理解有助于通过代谢工程和合成生物学手段高效生产药用次生代谢物，如青蒿素。