Progressive Regulation of Sesquiterpene Biosynthesis in Arabidopsis and Patchouli (Pogostemon cablin) by the miR156-Targeted SPL Transcription Factors
- 作者
- Zong-Xia Yu, Ling-Jian Wang, Bo Zhao, Chun-Min Shan, Yu-Hua Zhang, Dong-Fang Chen, Xiao-Ya Chen
- 单位
- Plant Science Research Center, Shanghai Chenshan Botanical Garden, Shanghai Key Laboratory of Plant Functional Genomics and Resources; National Key Laboratory of Plant Molecular Genetics, National Plant Gene Research Center, Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences; University of CAS; College of Bioengineering, Dalian University; Firmenich Aromatics (China) Co. Ltd.
- 杂志
- Molecular Plant（2015）
- DOI
- 10.1016/j.molp.2014.11.002
- 所属领域
- 植物代谢调控 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
植物倍半萜等次生代谢物的生物合成随发育阶段变化，但由内源发育信号调控的分子机制尚不清楚。长期缺乏植物发育与萜类生物合成之间的直接分子联系。
研究策略
以拟南芥和广藿香为研究对象，结合 miR156 过表达/靶标模拟、SPL 转基因株系、qRT-PCR、GC-MS 代谢物分析、EMSA、ChIP、启动子突变及双荧光素酶报告系统，验证 miR156-SPL 模块对倍半萜合酶基因的直接转录调控作用。
研究路线图
核心内容
该研究以拟南芥和广藿香为材料，揭示了miR156靶向的SPL转录因子作为内源年龄信号直接调控倍半萜合酶基因表达的分子机制。研究者通过构建miR156过表达、靶标模拟及SPL转基因株系，结合qRT-PCR、GC-MS代谢物分析、EMSA、ChIP和双荧光素酶报告系统，证实拟南芥中SPL9可直接结合TPS21启动子的GTAC基序并激活其转录，而该调控独立于MYC2茉莉酸信号通路。关键结果显示，Pro35S:MIM156使TPS21表达增加2倍以上，(E)-β-caryophyllene释放量显著上升；SPL9过表达使TPS21表达升高约2.5倍、产物释放增加76%，而sp9突变体中两者均减半。在广藿香中，10月龄Pro35S:rSPL10植株的PatPTS表达升高达5倍，(-)-patchoulol含量增加20%，总倍半萜含量从1.032%鲜重增至1.369%鲜重，而miR156过表达使产物低于检测限。该工作首次建立了植物发育时相与萜类代谢之间的直接分子联系，证明miR156-SPL模块在物种间保守，过表达SPL可同时加速营养期转变并提高倍半萜产量，为在缩短生长期内提升萜类化合物产量提供了工程策略。
创新点
首次揭示 miR156-SPL 转录因子作为内源年龄信号直接调控倍半萜合酶基因 TPS21 和 PatPTS 的表达，从而连接植物发育时相与萜类代谢；在广藿香中证明 SPL 可同时促进营养期转变和广藿香油积累，提出缩短生长期并提高萜类产量的工程策略。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 倍半萜生物合成 | TPS21 | (E)-β-caryophyllene 合酶 | 催化 | 催化 FPP 生成 (E)-β-caryophyllene 及少量 α-humulene 和 α-copaene；为花卉主要倍半萜，受 SPL9 直接正调控 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 倍半萜生物合成 | TPS11 | (+)-thujopene 合酶 | 催化 | 负责大部分其他花卉倍半萜，其表达和产物不受 miR156-SPL 显著影响 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 年龄发育调控 (miR156-SPL 模块) | SPL9 | SPL9 转录因子 | 调控 | 直接结合 TPS21 启动子 GTAC 基序并激活其表达；在茎中与 TPS21 呈同向梯度表达 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 年龄发育调控 (miR156-SPL 模块) | SPL3, SPL10 | SPL3/SPL10 转录因子 | 调控 | 过表达 rSPL3 或 rSPL10 可提升 TPS21 表达，但效果弱于 SPL9 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 甲羟戊酸 (MVA) 途径 | HMGR1, HMGR2, FPS1, FPS2 | HMG-CoA 还原酶 / 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化 FPP 前体合成，但其表达不受 miR156 水平影响 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 茉莉酸信号 / 倍半萜生物合成 | MYC2 | MYC2 转录因子 | 调控 | 与 SPL 平行且独立地调控 TPS21 表达 |
| 广藿香 (Pogostemon cablin) | 倍半萜生物合成 | PatPTS | 广藿香醇合酶 (patchoulol synthase) | 催化 | 广藿香油主要成分 (-)-patchoulol 的合成酶；受 SPL10 正调控，表达随株龄上升 |
| 广藿香 (Pogostemon cablin) | 倍半萜生物合成 | PatTpsA, PatTpsBF2, PatTpsCF2, PatTpsB15 | 其他倍半萜合酶 | 催化 | PatTpsBF2 表达可能受 miR156 和 rSPL10 影响，其余影响不明显 |
| 本氏烟 (Nicotiana benthamiana) | 报告基因检测 | LUC, REN | 荧光素酶 | 催化 | 用于双荧光素酶瞬时表达实验，检测 TPS21 启动子活性及 SPL9 的激活作用 |
关键发现
- 拟南芥中 TPS21 表达随花发育持续上升，18 DAF 达最大；Pro35S:MIM156 使 TPS21 表达增加 2 倍以上，(E)-β-caryophyllene 释放量显著增加，而 Pro35S:MIR156 使 TPS21 表达和产物急剧下降。SPL9 直接结合 TPS21 启动子中 cis1 区的 GTAC 基序，其过表达（ProSPL9:rSPL9）使 TPS21 表达升高约
- 5 倍、(E)-β-caryophyllene 释放量增加 76%，sp9 突变体中表达降至 50% 以下、释放量减半。广藿香中 PatPTS 表达随株龄上升，一年生植株叶片中 (-)-patchoulol 含量约为一个月植株的 12 倍；10 月龄 Pro35S:rSPL10 植株叶片中 PatPTS 表达升高达 5 倍，(-)-patchoulol 含量增加 20%，总倍半萜含量从
- 032% FW 增至
- 369% FW，而 Pro35S:MIR156 中 (-)-patchoulol 低于检测限。SPL 对 TPS21 的调控独立于 MYC2 通路。
研究结论
miR156-SPL 模块在拟南芥和广藿香中保守地调控倍半萜合酶基因表达，将发育年龄与萜类生物合成直接联系起来；过表达 SPL 不仅能提高广藿香油产量，还能加速植物从幼年期向成年期转变，为通过基因工程在缩短生长期内提高萜类产量提供了新策略。