A putative terpene cyclase, vir4, is responsible for the biosynthesis of volatile terpene compounds in the biocontrol fungus Trichoderma virens
- 作者
- Frankie K. Crutcher, Alexandra Parich, Rainer Schuhmacher, Prasun K. Mukherjee, Susanne Zeilinger, Charles M. Kenerley
- 单位
- 德克萨斯农工大学植物病理与微生物学系；美国农业部南方平原农业研究中心；维也纳自然资源与应用生命科学大学农业生物技术系分析化学中心；巴巴原子研究中心；维也纳技术大学化学工程研究所生物技术与微生物学研究领域
- 杂志
- Fungal Genetics and Biology（2013）
- DOI
- 10.1016/j.fgb.2013.05.003
- 所属领域
- 天然产物生物合成
- 关键词
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解决的核心问题
确定 Trichoderma virens 中推测的萜烯环化酶基因 vir4 的功能，验证其是否负责挥发性萜烯化合物的生物合成，并澄清该基因簇真正合成的代谢产物。
研究策略
通过同源重组构建 vir4 基因敲除突变体和回补株，利用 HS-SPME-GC-MS 比较野生型、突变体及回补株的挥发性代谢产物谱，结合 qPCR 基因表达分析和系统发育分析，阐明 vir4 的功能。
研究路线图
核心内容
该研究通过同源重组构建了Trichoderma virens中推测的萜烯环化酶基因vir4的敲除突变体和回补株，利用HS-SPME-GC-MS比较了野生型、突变体及回补株的挥发性代谢产物谱，并结合qPCR和系统发育分析阐明其功能。结果显示，敲除vir4后，T. virens中24个倍半萜全部缺失，回补仅恢复其中11个；野生型产生的5个单萜中有4个在敲除株中缺失，回补恢复3个。T. virens共产生29个挥发性萜烯，显著多于T. atroviride的9个和T. reesei的11个。vir4缺失还导致菌株在MEA和PDA培养基上的生长速率显著降低，且vir1、vir5、vir7等基因表达下调。该研究首次在Trichoderma属中鉴定出负责挥发性萜烯生物合成的基因，证明vir4编码的萜烯环化酶负责挥发性倍半萜和部分单萜的合成，该基因簇参与一类新的真菌挥发性倍半萜的生成，同时推翻了其原先参与viridin/viridiol合成的假设。这些发现表明，挥发性萜烯可能在T. virens的生态互作中发挥作用，为理解生防真菌的化学通讯机制提供了新视角。
创新点
首次在 Trichoderma 属中鉴定出负责挥发性萜烯生物合成的基因；发现 vir4 基因簇参与一类新型真菌挥发性倍半萜的合成；推翻了该基因簇原先被认为参与 viridin/viridiol 合成的假设。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Trichoderma virens Gv29-8 | 萜烯生物合成 | vir4 | Vir4 (推测的萜烯环化酶) | 催化 | 负责 24 种挥发性倍半萜和 4 种单萜的环化合成；敲除后所有倍半萜缺失，回补部分恢复 |
| Trichoderma virens Gv29-8 | vir 基因簇 | vir1 | Vir1 (细胞色素 P450) | 催化 | vir4 敲除株中表达下调，可能参与萜烯修饰 |
| Trichoderma virens Gv29-8 | vir 基因簇 | vir5 | Vir5 (细胞色素 P450) | 催化 | vir4 敲除株中表达下调，可能参与萜烯修饰 |
| Trichoderma virens Gv29-8 | vir 基因簇 | vir7 | Vir7 (推测的氧化还原酶) | 催化 | vir4 敲除株中表达下调，可能参与萜烯修饰 |
关键发现
- 敲除 vir4 后，T. virens 中 24 个倍半萜全部缺失，回补株仅恢复其中 11 个
- 野生型产生 5 个单萜，其中 4 个在敲除株中缺失，回补恢复 3 个
- T. virens 共产生 29 个挥发性萜烯，而 T. atroviride 和 T. reesei 分别只有 9 个和 11 个
- 敲除突变体在 MEA、PDA 等培养基上生长速率显著低于野生型
- qPCR 显示 vir1、vir5、vir7 的表达在敲除株中显著下调
- vir4 蛋白含有 DDEID 和 DMLSLRKE 两个保守的 Mg2+ 结合基序。
研究结论
vir4 编码的萜烯环化酶负责 T. virens 挥发性倍半萜和部分单萜的生物合成，该基因簇参与一类新的挥发性真菌倍半萜的合成。vir4 缺失影响真菌生长但不影响根定殖，表明这些挥发性萜烯可能在生态互作中发挥作用。