Transcriptional regulation of secondary metabolite biosynthesis in plants
- 作者
- Barunava Patra, Craig Schluttenhofer, Yongmei Wu, Sitakanta Pattanaik, Ling Yuan
- 单位
- Department of Plant and Soil Sciences, Kentucky Tobacco Research and Development Center, University of Kentucky, Lexington, KY 40546, USA
- 杂志
- Biochimica et Biophysica Acta - Gene Regulatory Mechanisms（2013）
- DOI
- 10.1016/j.bbagrm.2013.09.006
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物次生代谢物（类黄酮、生物碱、萜类）生物合成途径的转录调控机制复杂且尚未完全阐明，需要系统梳理和揭示调控网络。
研究策略
综述近年来在模式和非模式植物中，通过鉴定和功能分析转录因子（R2R3-MYB、bHLH、WD40、AP2/ERF、WRKY等）及其靶标，结合顺式元件分析、酵母单杂交、遗传和生化手段，揭示次生代谢途径的转录调控机制，并探讨转录后和翻译后调控的作用。
核心内容
该综述系统梳理了植物类黄酮、生物碱和萜类三大类次生代谢物生物合成的转录调控网络。在类黄酮途径中，作者重点分析了MBW（MYB-bHLH-WD40）复合物的动态调控机制：拟南芥TT8启动子受至少六种不同MBW复合物调控，分别在子叶边缘和种子中控制花色素苷与原花青素积累；高粱中R蛋白的bHLH结构域通过ACT结构域二聚化决定其对不同靶基因启动子的识别。在生物碱途径中，长春花CrWRKY1过表达上调TDC等关键基因并提高蛇根碱含量，ORCA3启动子的74 bp茉莉酸响应元件受CrMYC2结合激活，烟草NIC2位点含7个AP2-ERF转录因子协同调控尼古丁合成。在萜类途径中，青蒿AaERF1、AaWRKY1等正调控青蒿素合成前期步骤并引导代谢流。此外，miR156通过SPL9与TT8竞争结合PAP1负调控花色素苷合成，揭示小RNA和翻译后修饰的参与。该工作整合了激活子与抑制子的精细平衡及MBW复合物物种间保守性与特异性，为利用转录因子作为代谢工程靶点提供了理论依据。
创新点
整合类黄酮、生物碱、萜类三大类次生代谢物的转录调控最新进展；强调MBW复合物动态调控、激活子与抑制子的精细平衡、小RNA介导的调控、泛素化/磷酸化等翻译后修饰，以及染色质重塑在调控中的作用；提出利用基因组资源加速新调控因子的发现。
研究对象（19）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Arabidopsis thaliana | 类黄酮（花色素苷）生物合成 | MYB75/PAP1 | PAP1 | 调控 | R2R3-MYB激活子，MBW复合物核心组分 |
| Arabidopsis thaliana | 类黄酮（花色素苷/原花青素）生物合成 | TT8 | TT8 | 调控 | bHLH转录因子，MBW复合物组分，受至少六种MBW复合物调控 |
| Arabidopsis thaliana | 类黄酮（花色素苷）生物合成 | MYBL2 | MYBL2 | 调控 | R3-MYB抑制子，含TLLFR抑制基序，竞争性结合bHLH因子 |
| Arabidopsis thaliana | 类黄酮（花色素苷）生物合成 | ANAC078 | ANAC078 | 调控 | NAC转录因子，高光下激活超过165个基因包括PAP1 |
| Petunia hybrida | 类黄酮（花色素苷）生物合成 | AN2 | AN2 | 调控 | R2R3-MYB激活子，调控花瓣色素积累 |
| Petunia hybrida | 类黄酮（花色素苷）生物合成 | PhMYB27 | PhMYB27 | 调控 | 含EAR抑制基序的R2R3-MYB负调控因子 |
| Zea mays | 类黄酮（花色素苷）生物合成 | R | R | 调控 | bHLH转录因子，含ACT结构域，与C1形成MBW复合物，通过bHLH二聚化调控A1/Bz1启动子 |
| Zea mays | 类黄酮（花色素苷）生物合成 | RIF1 | RIF-1 | 调控 | EMSY-like因子，与R的bHLH结构域互作，参与A1启动子激活和染色质重塑 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | ORCA3 | ORCA3 | 调控 | AP2/ERF转录因子，JA响应，调控多个TIA途径基因，其启动子含74 bp双部分JRE |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | CrWRKY1 | CrWRKY1 | 调控 | WRKY转录因子，结合W-box，激活TDC并上调蛇根碱积累 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | TDC | TDC | 催化 | 色氨酸脱羧酶，TIA途径关键酶，受多个转录因子调控 |
| Nicotiana tabacum | 尼古丁生物合成 | NtMYC2 | NtMYC2 | 调控 | bHLH转录因子，结合G-box，直接调控尼古丁途径基因并正向调控NIC2位点ERFs |
| Nicotiana tabacum | 尼古丁生物合成 | ORC1/ERF221 | ORC1 | 调控 | AP2/ERF转录因子，NIC2位点成员，结合GCC-box调控PMT等 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | AaERF1 | AaERF1 | 调控 | AP2/ERF转录因子，正调控ADS和CYP71AV1 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | AaWRKY1 | AaWRKY1 | 调控 | WRKY转录因子，调控ADS、HMGR、DBR2等，引导流向青蒿素 |
| Arabidopsis thaliana | Camalexin生物合成 | WRKY33 | WRKY33 | 调控 | WRKY转录因子，被MAPK磷酸化激活，直接结合PAD3启动子调控camalexin合成 |
| Taxus chinensis | 紫杉醇生物合成 | TaWRKY1 | TaWRKY1 | 调控 | WRKY转录因子，正调控DBAT基因表达 |
| Vitis vinifera | 类黄酮（花色素苷/原花青素）生物合成 | VvMYC1 | VvMYC1 | 调控 | bHLH转录因子，参与花色素苷和原花青素积累调控 |
| Malus domestica | 类黄酮（花色素苷）生物合成 | MdMYB1 | MdMYB1 | 调控 | R2R3-MYB激活子，调控苹果果皮红色形成，蛋白稳定性受COP1介导的泛素化调控 |
关键发现
- 拟南芥ANAC078在高光条件下快速积累，上调超过165个基因（含PAP1），激活花色素苷合成。
- 玉米R蛋白的bHLH结构域通过ACT结构域二聚化控制其与A1或Bz1启动子的结合；RIF-1与单体bHLH结构域互作参与A1激活，而Bz1激活需要bHLH同源二聚化识别E-box。
- 拟南芥TT8启动子含有两个功能模块，受至少六种不同MBW复合物（PAP1-TT8-TTG1、PAP1-EGL3-TTG1、PAP1-GL3-TTG1、TT2-TT8-TTG1、TT2-EGL3-TTG1、MYB5-TT8-TTG1）调控，从而在子叶边缘和种子中分别控制花色素苷和原花青素积累。
- 长春花CrWRKY1过表达上调TDC等TIA途径基因，并导致蛇根碱含量高于对照（具体倍数未给出）。
- ORCA3启动子含74 bp的双部分茉莉酸响应元件（JRE），CrMYC2结合其T/G-box并激活ORCA3。
- 烟草NIC2位点含7个AP2-ERF转录因子，共同调控尼古丁生物合成基因。
- 青蒿AaERF1、AaERF2、AaORA1和AaWRKY1正调控青蒿素生物合成前期步骤，AaORA1和AaWRKY1还调控DBR2使代谢流指向青蒿素。
- 拟南芥miR156靶向SPL9，SPL9与TT8竞争结合PAP1，负调控花色素苷合成。
研究结论
植物次生代谢物的生物合成受复杂的转录调控网络控制，激活子与抑制子通过响应植物激素和环境信号精细调控途径基因的时空表达；MBW复合物的核心调控功能在不同植物中保守，但其自身调控机制存在物种差异；转录后和翻译后调控（小RNA、泛素化、磷酸化）也显著参与调控；未来应利用基因组和转录组资源进一步鉴定新调控因子，为代谢工程提供靶点。