Overexpression of Panax ginseng sesquiterpene synthase gene confers tolerance against Pseudomonas syringae pv. tomato in Arabidopsis thaliana
- 作者
- Sung-Joo Yoon, Johan Sukweenadhi, Altanzul Khorolragchaa, Ramya Mathiyalagan, Sathiyamoorthy Subramaniam, Yeon-Ju Kim, Ho-Bin Kim, Mi-Jung Kim, Yu-Jin Kim, Deok-Chun Yang
- 单位
- Department of Oriental Medicinal Biotechnology, College of Life Science, Kyung Hee University, Yongin 449-701, Korea; Graduate School of Biotechnology, College of Life Science, Kyung Hee University, Yongin 446-701, Korea; Woongjin Foods Co., Ltd., JEI-PLATZ, 186, Gasan Digital 1-ro, Room 201, Gemcheon-gu, Seoul 153-792, Korea
- 杂志
- Physiology and Molecular Biology of Plants（2017）
- DOI
- 10.1007/s12298-016-0384-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
人参倍半萜合酶基因(PgSTS)在环境胁迫（尤其是病原菌侵染）下的功能及其调控机制尚不清楚，需要解析PgSTS表达与萜烯积累的关系，并验证其异源过表达是否赋予植物抗病性。
研究策略
通过qRT-PCR分析PgSTS在人参不同器官及SA和MeJA处理下的表达模式，利用GC-MS测定萜烯组分和含量；构建PgSTS过表达拟南芥，检测萜烯含量及对丁香假单胞菌的抗性。
核心内容
该研究克隆并鉴定了人参倍半萜合酶基因PgSTS，系统解析了其表达调控与萜烯积累的关系，并验证了异源过表达对植物抗病性的影响。通过qRT-PCR分析发现，水杨酸（SA）和茉莉酸甲酯（MeJA）处理可显著诱导PgSTS表达，其中MeJA处理24小时表达量达对照的18.73倍，SA处理12小时达7.82倍。GC-MS测定显示，外源诱导使人参幼苗倍半萜种类从对照的3种分别增至SA处理的6种和MeJA处理的11种，其中trans-β-farnesene在两种处理下分别占2%和5.53%。进一步构建PgSTS过表达拟南芥，转基因株系#3和#7的表达量分别比野生型高13.15倍和10.17倍，植株倍半萜含量升高且株高增加。病原菌接种试验表明，接种丁香假单胞菌4天后转基因株系中的菌落数显著低于野生型，说明PgSTS过表达赋予拟南芥抗病性。该研究证实PgSTS受茉莉酸和水杨酸信号通路正向调控，在植物萜烯防御代谢中发挥关键作用，为利用倍半萜合酶基因改良作物抗病性提供了依据。
创新点
首次系统研究人参挥发性倍半萜合酶基因PgSTS在防御反应中的功能；证实MeJA和SA可显著诱导PgSTS表达及单/倍半萜产量增加；在拟南芥中过表达PgSTS提高萜烯含量并赋予对丁香假单胞菌的耐受性。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 倍半萜生物合成途径 | PgSTS | 倍半萜合酶 (PgSTS) | 催化 | 过表达PgSTS提高萜烯含量并增强对丁香假单胞菌的抗性 |
| 人参 (Panax ginseng) | 倍半萜生物合成途径 | PgSTS | 倍半萜合酶 (PgSTS) | 催化 | 表达受SA和MeJA诱导，萜烯产物含量和种类显著增加 |
关键发现
- SA和MeJA处理使人参幼苗萜烯释放率分别达3.18%和9%
- 倍半萜种类从对照的3种增至SA处理的6种和MeJA处理的11种
- 其中trans-β-farnesene在SA和MeJA处理后分别占2%和5.53%，β-elemene分别为0.41%和1.19%，trans-β-caryophyllene分别为0.13%和0.37%。PgSTS表达在SA处理12h达峰值7.82倍，MeJA处理24h达峰值18.73倍。过表达PgSTS的拟南芥株系#3和#7表达量分别比野生型高13.15倍和10.17倍，且株高增加、倍半萜含量升高
- 病原菌接种4天后转基因株系中丁香假单胞菌数量显著低于野生型。
研究结论
PgSTS参与人参萜烯生物合成，其表达受MeJA和SA正向调控，外源诱导可显著提高萜烯产量；在拟南芥中过表达PgSTS能提高萜烯含量并增强对丁香假单胞菌的耐受性，说明PgSTS在植物防御反应中发挥重要作用。