Multilevel interactions between native and ectopic isoprenoid pathways affect global metabolism in rice
- 作者
- Lucía Pérez, Rui Alves, Laura Perez-Fons, Alfonso Albacete, Gemma Farré, Erika Soto, Ester Vilapirnyó, Cristina Martínez-Andújar, Oriol Basallo, Paul D. Fraser, Vicente Medina, Changfu Zhu, Teresa Capell, Paul Christou
- 单位
- Department of Plant Production and Forestry Science, School of Agrifood and Forestry Science and Engineering (ETSEA), University of Lleida-Agrotecnio Center, Av. Alcalde Rovira Roure 191, 25198 Lleida, Spain; Departament de Ciencies Mèdiques Bàsiques, Universitat de Lleida, Lleida, Spain; School of Biological Sciences, Royal Holloway University of London, Egham Hill, UK; Departament of Plant Nutrition, Center of Edaphology and Applied Biology of the Segura (CEBAS), Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Campus Universitario de Espinardo, 30100 Murcia, Espinardo, Spain; Department of Plant Production and Agrotechnology, Institute for Agri-Food Research and Development of Murcia, Murcia, La Alberca, Spain; Department of Chemistry, University of Lleida-Agrotecnio Center, Lleida, Spain; IRBLleida, Lleida, Catalunya, Spain; Catalan Institute for Research and Advanced Studies (ICREA), Barcelona, Spain
- 杂志
- Transgenic Research（2022）
- DOI
- 10.1007/s11248-022-00299-6
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探究水稻内源甲羟戊酸（MVA）和甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径的严格调控机制，尝试通过异源质体MVA途径增加IPP/DMAPP前体供应，并评估其对全局代谢和表型的影响。
研究策略
在水稻胚乳中特异性表达定位于质体的完整异源MVA途径（BjHMGS、tHMGR、CrMK、CrPMK、CrMVD）以及核转录因子OsWR1，通过转录组、代谢组、激素分析、表型与超微结构观察等手段系统评估异源途径对内源代谢的影响。
研究路线图
核心内容
该研究在水稻胚乳中特异性表达了定位于质体的完整异源甲羟戊酸（MVA）途径（BjHMGS、tHMGR、CrMK、CrPMK、CrMVD）及核转录因子OsWR1，以增加异戊烯基前体IPP/DMAPP的供应。结果显示，单独表达异源途径的植株在移栽后约一周内死亡，共表达WR1后方可获得存活转化体。异源途径导致株高降低1.4–2倍、叶面积减少1.9–4.9倍、叶绿素含量下降，并引发早衰；同时显著改变激素平衡，如玉米素核苷降低3–5倍、ABA升高1.3–3.6倍。代谢层面，内源MVA早期基因OsHMGS和OsHMGR上调最高5倍，而内源MEP途径多个基因下调超过2倍。α-生育酚含量平均达7.51 mg/g干重（野生型4.3 mg/g），脂肪酸增加1.54–6.22倍，部分品系积累叶黄素和脱镁叶绿素，但鲨烯含量降低。该工作揭示了异源与内源异戊二烯途径间复杂的多层级互作及其对全局代谢和发育的广泛影响，为理性设计植物异戊二烯代谢工程策略提供了重要参考。
创新点
首次在谷类作物胚乳中表达完整异源质体MVA途径；发现单独表达该途径致死，必须共表达WR1以补充质体乙酰-CoA；揭示了异源MVA途径与内源MVA/MEP途径之间的多层级相互作用（上调内源MVA、抑制MEP）；证实异源途径对植物激素、脂肪酸和碳水化合物代谢产生广泛影响。
研究对象（19）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻（Oryza sativa） | MVA途径 | BjHMGS | HMGS | 催化 | 来自芥菜（Brassica juncea），质体定位，异源表达 |
| 水稻（Oryza sativa） | MVA途径 | tHMGR | HMGR（截短） | 催化 | 来自拟南芥，截短形式去掉调控结构域，质体定位 |
| 水稻（Oryza sativa） | MVA途径 | CrMK | MK | 催化 | 来自长春花（Catharanthus roseus），质体定位 |
| 水稻（Oryza sativa） | MVA途径 | CrPMK | PMK | 催化 | 来自长春花，质体定位 |
| 水稻（Oryza sativa） | MVA途径 | CrMVD | MVD | 催化 | 来自长春花，质体定位 |
| 水稻（Oryza sativa） | 脂肪酸合成/糖酵解 | OsWRI | WRINKLED1 | 调控 | 水稻转录因子，核定位，促进乙酰-CoA和脂肪酸合成相关基因表达 |
| 水稻（Oryza sativa） | MVA途径（内源） | OsHMGS | HMGS | 催化 | 内源基因，有多个异构体（OsHMGS1-3） |
| 水稻（Oryza sativa） | MVA途径（内源） | OsHMGR | HMGR | 催化 | 内源基因，有多个异构体（OsHMGR1-3） |
| 水稻（Oryza sativa） | MVA途径（内源） | OsMK | MK | 催化 | 内源基因 |
| 水稻（Oryza sativa） | MVA途径（内源） | OsPMK | PMK | 催化 | 内源基因，有剪接变体OsPMKa/b |
| 水稻（Oryza sativa） | MVA途径（内源） | OsMVD | MVD | 催化 | 内源基因，有OsMVD1/2两个异构体 |
| 水稻（Oryza sativa） | MEP途径（内源） | OsDXS | DXS | 催化 | 内源基因，有OsDXS1-3三个异构体 |
| 水稻（Oryza sativa） | MEP途径（内源） | OsDXR | DXR | 催化 | 内源基因，单拷贝 |
| 水稻（Oryza sativa） | MEP途径（内源） | OsMCT | MCT | 催化 | 内源基因 |
| 水稻（Oryza sativa） | MEP途径（内源） | OsCMK | CMK | 催化 | 内源基因 |
| 水稻（Oryza sativa） | MEP途径（内源） | OsMDS | MDS | 催化 | 内源基因 |
| 水稻（Oryza sativa） | MEP途径（内源） | OsHDS | HDS | 催化 | 内源基因 |
| 水稻（Oryza sativa） | MEP途径（内源） | OsHDR | HDR | 催化 | 内源基因，有OsHDR1/2两个异构体 |
| 水稻（Oryza sativa） | 异戊二烯代谢 | OsIPPI | IPPI | 催化 | 内源IPP异构酶，有OsIPPI1/2两个异构体，催化IPP与DMAPP互变 |
关键发现
- ['未共表达WR1的转基因水稻植株在转移到土壤后约1周内死亡；共表达WR1后获得约50个独立转化体，其中12个高表达品系用于分析。', '异源MVA途径基因相对OsActin1的表达范围：BjHMGS
- 8-91倍、tHMGR 1-88倍、CrMK
- 5-55倍、CrPMK
- 88-43倍、CrMVD
- 4-6.5倍、OsWRI
- 2-24倍。', '与野生型相比，转基因株系株高降低1.4-2倍（11/12系）、叶片数减少1.25-1.9倍（11/12系）、叶面积减少1.9-4.9倍（全部12系）、叶绿素含量降低1.3-1.5倍（10/12系），且在12周时早衰（野生型20周）。', '激素方面：玉米素核苷在9周时降低3-5倍（全部12系），异戊烯基腺嘌呤降低2.9-8倍（11/12系），ACC在12周降低5.4-9.8倍（11/12系），IAA在12周降低1.27-2.45倍（10/12系），ABA在9周升高1.3-3.6倍（9/12系），GA3在9周升高2.01-10.7倍（9/12系）。', '内源MVA早期基因OsHMGS和OsHMGR上调最高5倍，内源MEP基因OsDXR、OsMDS、OsHDS、OsHDR1和OsIPPI1下调超过2倍。', 'α-生育酚平均含量7.51 mg/g干重，野生型4.3 mg/g，增加1.75倍；三分之一品系积累野生型未检测到的叶黄素（平均1.88 mg/g）和脱镁叶绿素（平均3.9 mg/g）。', '脂肪酸含量在所有品系中增加1.54-6.22倍；58%品系总异戊二烯类增加1.17-2.9倍；83%品系鲨烯降低1.04-3.47倍；甾醇如β-谷甾醇在58%品系增加1.32-2.92倍。', '叶片淀粉降低2.59倍、可溶性糖增加2.73倍；种子淀粉增加1.78倍、可溶性糖降低1.31倍。', '转基因种子胚乳淀粉粒更丰富，质体膜不规则，可见脂肪酸沉积黑点。']
研究结论
在水稻胚乳中表达异源质体MVA途径（配合WR1）能够增加IPP/DMAPP供应并增强异戊二烯生物合成（如生育酚、甾醇），但会抑制内源MEP途径、改变植物激素平衡、增加脂肪酸积累并导致植株矮化、早衰等不良表型。研究揭示了异戊二烯代谢工程中异源与内源途径间的复杂多层级互作，为理解植物异戊二烯代谢调控和设计理性工程策略提供了基础。