Transcription Factors in Alkaloid Biosynthesis
- 作者
- Yasuyuki Yamada, Fumihiko Sato
- 单位
- Department of Plant Gene and Totipotency, Graduate School of Biostudies, Kyoto University, Kitashirakawa, Sakyo, Kyoto, Japan
- DOI
- 10.1016/B978-0-12-407695-2.00008-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
生物碱生物合成途径复杂，其转录调控机制尚不清楚，特别是参与烟碱、单萜吲哚生物碱（MIA）和苄基异喹啉生物碱（BIA）生物合成的转录因子种类和功能需要系统阐明。
研究策略
综述近年分离鉴定的参与生物碱生物合成的转录因子，包括AP2/ERF、WRKY、bHLH等家族，比较它们与其他次生代谢途径调控机制的异同，并探讨JA信号级联在其中的作用以及转录因子在代谢工程中的应用。
研究路线图
核心内容
该综述系统梳理了参与烟碱、单萜吲哚生物碱（MIA）和苄基异喹啉生物碱（BIA）生物合成的转录因子，重点涵盖AP2/ERF、WRKY和bHLH家族。在长春花中，ORCA2和ORCA3作为茉莉酸（JA）响应的AP2/ERF因子，ORCA3过表达可诱导STR、TDC等基因表达，在外源loganin存在时提高MIA产量；CrWRKY1过表达则显著增加蛇根碱积累但减少长春花碱，并抑制ORCA2/3表达。在烟草中，NtERF189过表达显著提高烟碱含量，NIC2位点含7个成簇的AP2/ERF基因。日本黄连中CjWRKY1正调控小檗碱合成酶基因而不影响初生代谢。bHLH因子CrMYC2直接激活ORCA3启动子。研究揭示JA信号通过COI1-JAZ-MYC2级联构成核心调控环节，JAZ蛋白降解是激活MYC2的关键步骤。这些转录因子在不同生物碱途径中既有保守性又有特异性，为通过调控转录因子进行代谢工程改造提供了明确靶点。
创新点
系统总结了生物碱生物合成中的转录因子及其调控网络，揭示了JA信号通路（COI1-JAZ-MYC2）在烟碱和MIA生物合成中的主导作用，并提出了转录因子在不同生物碱生物合成中的保守性与特异性，以及它们在代谢工程中的应用前景。
研究对象（26）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus | Monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis | ORCA1 | ORCA1 | 调控 | AP2/ERF转录因子，与JRE结合但体内转录活性弱，JA不诱导表达 |
| Catharanthus roseus | Monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis | ORCA2 | ORCA2 | 调控 | AP2/ERF转录因子，结合JRE并激活STR表达，响应JA |
| Catharanthus roseus | Monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis | ORCA3 | ORCA3 | 调控 | AP2/ERF转录因子，激活STR、TDC、CPR、D4H、AS、DXS等，JA响应 |
| Nicotiana tabacum | Nicotine biosynthesis | ERF189 | NtERF189 | 调控 | AP2/ERF转录因子，NIC2位点成员，激活PMT和QPT，调控烟碱合成 |
| Nicotiana tabacum | Nicotine biosynthesis | ERF221/ORC1 | NtORC1/ERF221 | 调控 | AP2/ERF转录因子，与NbbHLH1协同激活PMT和QPT，JA诱导 |
| Nicotiana benthamiana | Nicotine biosynthesis | NbERF1 | NbERF1 | 调控 | AP2/ERF转录因子，序列与NtORC1相似，可能参与烟碱合成 |
| Coptis japonica | Benzylisoquinoline alkaloid (berberine) biosynthesis | CjWRKY1 | CjWRKY1 | 调控 | WRKY转录因子，正调控小檗碱合成酶基因，响应MeJA |
| Catharanthus roseus | Monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis | CrWRKY1 | CrWRKY1 | 调控 | WRKY转录因子，激活TDC，抑制ORCA2/3，促进蛇根碱积累 |
| Nicotiana benthamiana | Nicotine biosynthesis | NbbHLH1 | NbbHLH1 | 调控 | bHLH转录因子，结合G-box，与NtORC1协同激活PMT |
| Nicotiana benthamiana | Nicotine biosynthesis | NbbHLH2 | NbbHLH2 | 调控 | bHLH转录因子，与NbbHLH1功能相似 |
| Nicotiana tabacum | Nicotine biosynthesis | NtMYC2a | NtMYC2a | 调控 | bHLH转录因子，调控烟碱合成基因和NIC2位点ERF基因 |
| Nicotiana tabacum | Nicotine biosynthesis | NtMYC2b | NtMYC2b | 调控 | bHLH转录因子，与NtMYC2a功能相似，与NtJAZ1互作 |
| Catharanthus roseus | Monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis | CrMYC2 | CrMYC2 | 调控 | bHLH转录因子，直接激活ORCA3启动子，JA响应 |
| Coptis japonica | Benzylisoquinoline alkaloid (berberine) biosynthesis | CjbHLH1 | CjbHLH1 | 调控 | bHLH转录因子，正调控小檗碱合成酶基因，非AtMYC2型 |
| Catharanthus roseus | Monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis | CrMYC1 | CrMYC1 | 调控 | bHLH转录因子，能结合G-box，但可能不直接调控STR |
| Catharanthus roseus | Monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis | BPF-1 | CrBPF-1 | 调控 | MYB-like转录因子，激活STR，JA非依赖的elicitor信号 |
| Catharanthus roseus | Monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis | GBF1 | CrGBF1 | 调控 | bZIP转录因子，结合G-box，抑制STR表达 |
| Catharanthus roseus | Monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis | GBF2 | CrGBF2 | 调控 | bZIP转录因子，与CrGBF1功能相似，抑制STR表达 |
| Catharanthus roseus | Monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis | ZCT1 | ZCT1 | 调控 | TFIIIA锌指蛋白，抑制STR和TDC启动子活性 |
| Catharanthus roseus | Monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis | ZCT2 | ZCT2 | 调控 | TFIIIA锌指蛋白，与ZCT1类似，抑制STR/TDC |
| Catharanthus roseus | Monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis | ZCT3 | ZCT3 | 调控 | TFIIIA锌指蛋白，与ZCT1/2类似，抑制STR/TDC |
| Catharanthus roseus | Monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis | 2D328 | 2D328 | 调控 | TFIIIA锌指蛋白，可能调控ORCA3表达 |
| Catharanthus roseus | Monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis | 2D173 | 2D173 | 调控 | AT-hook蛋白，结合JRE并激活ORCA3启动子 |
| Catharanthus roseus | Monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis | 2D449 | 2D449 | 调控 | AT-hook蛋白，可能激活ORCA3 |
| Catharanthus roseus | Monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis | 2D38M | 2D38M | 调控 | AT-hook蛋白，可能激活ORCA3 |
| Catharanthus roseus | Monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis | 2D7 | 2D7 | 调控 | AT-hook蛋白，可能激活ORCA3 |
关键发现
- 在C. roseus中，ORCA2和ORCA3是JA响应的AP2/ERF转录因子，ORCA3过表达可诱导STR、TDC、CPR、D4H、AS和DXS等基因表达，但G10H和DAT不受影响；在外源loganin存在时增加MIA产量。
- 在烟草中，NtORC1/ERF221和NtERF189通过GCC-box调控PMT和QPT表达，过表达NtERF189可显著提高烟碱含量；NIC2位点含有7个成簇的AP2/ERF基因。
- 在Coptis japonica中，CjWRKY1正调控小檗碱生物合成酶基因（如TYDC、NCS、6OMT等），但不影响初生代谢基因。
- 在C. roseus中，CrWRKY1过表达使蛇根碱积累显著增加、长春花碱积累显著减少，并抑制ORCA2和ORCA3表达。
- bHLH转录因子CrMYC2直接激活ORCA3启动子，NbbHLH1/2和NtMYC2a/b调控烟碱生物合成基因，CjbHLH1调控小檗碱生物合成。
- JA信号通过COI1-JAZ-MYC2级联调控烟碱生物合成，JAZ蛋白降解是激活MYC2的关键步骤。
- 在MeJA处理的烟草BY-2细胞中，通过cDNA-AFLP分析发现约600个MeJA调控的转录标签。
研究结论
生物碱生物合成受多种转录因子（AP2/ERF、WRKY、bHLH等）的精细调控，其中JA信号通路是核心调控环节。不同生物碱途径的转录因子既有共性也有特异性，这些因子在代谢工程中具有重要应用价值。