高级醇 · 代谢工程文献库

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Promoter activation by ACGT in response to salicylic and abscisic acids is differentially regulated by the spacing between two copies of the motif

作者
Rajesh Mehrotra, Sandhya Mehrotra
单位
Birla Institute of Technology and Science, Pilani, Rajasthan 333031, India
杂志
Journal of Plant Physiology（2010）
DOI
10.1016/j.jplph.2010.04.005
所属领域
植物基因表达调控
关键词
ACGT motifAbscisic acid regulationGene expressionPromoter regulationSalicylic acid regulationcis-Elements
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解决的核心问题

ACGT核心序列在启动子中的拷贝数与间隔长度如何决定启动子对水杨酸（SA）和脱落酸（ABA）的响应特异性

研究策略

设计人工合成启动子，将单个或双个ACGT基序以不同间隔（0、5、10、25 bp）置于最小启动子Pmec上游，通过烟草瞬时和稳定转化检测GUS报告基因表达；并以拟南芥PP2C样启动子（At5g59220）进行验证及突变分析

研究路线图

100%
研究问题：ACGT拷贝数与间隔长度决定SA/ABA响应特异性
策略：构建含单/双ACGT基序、间隔0/5/10/25 bp的人工启动子，Pmec最小启动子+GUS报告基因
关键改造：天然PP2C启动子（At5g59220）验证，M1/M2盒突变及ACGT区删除
结果：人工启动子（(ACGT)N5→SA诱导3倍；(ACGT)N25→ABA诱导3倍）；根最高17.22、叶14.06、种子9.63 nmol/min/mg蛋白
结果：天然PP2C启动子SA诱导5.94倍；ABA诱导13.50倍。M1突变>SA诱导3.02倍、ABA7.41倍；M2突变>SA3.06倍、ABA13.16倍；删除ACGT区后诱导完全丧失（1.09、1.21倍）
结果：基因组分析，73个启动子含(ACGT)N5(ACGT)，151个含(ACGT)N25(ACGT)，多为胁迫响应基因
结论：ACGT双拷贝间隔5 bp→SA诱导；25 bp→ABA诱导。间隔长度差异招募不同bZIP转录因子（TGA/TRAB1），实现激素信号差异化调控
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核心内容

该研究通过设计人工合成启动子，系统探究了ACGT核心序列拷贝数及间隔长度对植物激素响应特异性的决定作用。作者将单拷贝或双拷贝ACGT基序以0、5、10、25 bp不同间隔置于最小启动子Pmec上游，在烟草中进行瞬时和稳定转化并检测GUS报告基因表达。结果表明，双拷贝ACGT间隔5 bp时启动子特异响应水杨酸（SA）诱导，报告基因表达增加约3倍；间隔25 bp时则特异响应脱落酸（ABA）诱导，同样约3倍。在拟南芥PP2C样天然启动子（At5g59220）中验证了该规律，SA和ABA分别诱导5.94倍和13.50倍；突变5'端ACGT盒使两种激素诱导均显著下降，删除该区域后诱导完全丧失。基因组分析发现73个启动子含5 bp间隔、151个含25 bp间隔，多为胁迫响应基因。该发现揭示了ACGT双拷贝间隔长度作为激素信号差异化调控的关键结构决定因素，提示不同间隔可能招募不同bZIP转录因子，为植物胁迫响应启动子的工程化设计提供了重要依据。

创新点

首次证明ACGT双拷贝之间的间隔长度决定激素响应特异性：间隔5 bp赋予SA诱导性，间隔25 bp赋予ABA诱导性；并证实该规律在天然PP2C启动子中同样适用

研究对象（3）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
烟草（Nicotiana tabacum cv. Petit Havana） 水杨酸/脱落酸信号通路 gusA β-葡萄糖醛酸酶（GUS） 催化 作为报告基因，用于定量启动子活性
烟草（Nicotiana tabacum cv. Petit Havana） 水杨酸/脱落酸信号通路 PP2C（At5g59220） 蛋白磷酸酶2C样蛋白 调控 天然启动子含(ACGT)N5(ACGT)和(ACGT)N30(ACGT)元件，用于验证人工启动子结论
拟南芥（Arabidopsis thaliana） 胁迫响应相关代谢通路 多个胁迫响应基因（如β-1,3-葡聚糖酶、WRKY蛋白、热激蛋白、MAP激酶等） — 调控 基因组数据库分析显示含(ACGT)N5(ACGT)或(ACGT)N25(ACGT)的启动子

关键发现

  1. 在稳定转基因烟草中，(ACGT)N5(ACGT)在SA处理下报告基因表达增加3倍；(ACGT)N25(ACGT)在ABA处理下增加3倍。最高根表达为17.22 nmol/min/mg蛋白（(ACGT)N5(ACGT)），叶最高14.06 nmol/min/mg蛋白，种子最高9.63 nmol/min/mg蛋白（(ACGT)N25(ACGT)）。拟南芥PP2C启动子（At5g59220）被SA诱导5.94倍（117.37 vs
  2. 76 nmol/min/mg蛋白），被ABA诱导13.50倍（266.76 vs
  3. 76 nmol/min/mg蛋白）。突变M1（5'ACGT盒突变）使SA诱导降至3.02倍、ABA诱导降至7.41倍；突变M2（3'ACGT盒突变）使SA诱导降至3.06倍，ABA诱导不变（13.16倍）。删除(ACGT)N5(ACGT)区域后SA和ABA诱导均完全丧失（诱导倍数1.09和1.21）。基因组分析发现73个启动子含(ACGT)N5(ACGT)，151个含(ACGT)N25(ACGT)，多为胁迫响应基因。

研究结论

ACGT核心序列双拷贝之间的间隔长度是决定启动子对SA和ABA响应特异性的关键因素，间隔5 bp与SA诱导相关，间隔25 bp与ABA诱导相关；不同间隔可能招募不同的bZIP转录因子（如TGA因子或TRAB1），从而实现激素信号的差异化调控。