Identification of DELLA and GID1 genes in Catharanthus roseus and their potential role in regulating vindoline biosynthesis
- 作者
- Lauren F. Cole-Osborn, Natalie Soens, Diana Bernal-Franco, Olga Prifti, Erin J. Cram, Carolyn W. T. Lee-Parsons
- 单位
- Department of Chemical Engineering, Northeastern University; Department of Bioengineering, Northeastern University; Department of Biology, Northeastern University; Department of Chemistry and Chemical Biology, Northeastern University
- 杂志
- Plant Molecular Biology（2025）
- DOI
- 10.1007/s11103-025-01599-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探究长春花（Catharanthus roseus）中DELLA和GID1基因的鉴定及其对长春碱前体vindoline生物合成的潜在调控作用
研究策略
通过序列比对鉴定CrDELLA和CrGID1基因；利用病毒诱导基因沉默（VIGS）、GA合成抑制剂pacobutrazol处理以及过表达截短型CrDELLA等瞬时方法，结合qPCR和HPLC-MS-MS检测，评估对vindoline途径基因表达和萜类吲哚生物碱积累的影响
研究路线图
核心内容
本研究在长春花中首次鉴定并表征了赤霉素信号通路关键组分DELLA和GID1基因，包括两个DELLA基因（CrDELLA1、CrDELLA2）和两个GID1基因（CrGID1a、CrGID1b），并探究其调控长春碱前体vindoline生物合成的潜在作用。通过病毒诱导基因沉默（VIGS）、赤霉素合成抑制剂pacobutrazol处理以及过表达截短型CrDELLA等多种瞬时互补策略，结合qPCR和HPLC-MS-MS检测发现：VIGS沉默CrDELLA使未成熟叶中T3O、T3R、NMT、D4H表达显著下降20-30%，成熟叶中D4H下降45%，同时叶片长宽比增加43%，说明CrDELLA可能正向调控vindoline途径且影响叶形态；沉默CrGID1则使成熟叶中多个途径基因表达增加1.3-2.8倍，但统计证据较弱。过表达截短型CrDELLA1Δ1-112或CrDELLA2Δ1-113可显著增强NMT和D4H启动子活性，pacobutrazol处理也支持CrDELLA对vindoline途径的正向调控。综合表明CrDELLA在特定条件下正向调控vindoline生物合成，证据强度为弱到中等，未来可通过稳定转基因方法进一步验证，为利用CrDELLA提高长春碱和长春新碱等化疗药物产量提供潜在策略。
创新点
首次在长春花中鉴定并表征两个DELLA基因（CrDELLA1、CrDELLA2）和两个GID1基因（CrGID1a、CrGID1b），并通过多种互补瞬时方法提供弱到中等证据支持CrDELLA正向调控vindoline生物合成
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | CrDELLA1 | CrDELLA1 (CRO_T106013) | 调控 | DELLA转录因子，推测正向调控vindoline生物合成；可与CrJAZ1和CrPIF4/5互作 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | CrDELLA2 | CrDELLA2 (CRO_T106004) | 调控 | DELLA转录因子，与CrDELLA1功能相似，参与GA信号及光/JA信号交叉 |
| Catharanthus roseus | 赤霉素（GA）信号通路 | CrGID1a | CrGID1a (CRO_T105824) | 调控 | GA受体，促进DELLA降解，负向调控DELLA蛋白水平 |
| Catharanthus roseus | 赤霉素（GA）信号通路 | CrGID1b | CrGID1b (CRO_T119046) | 调控 | GA受体，与CrGID1a同源，在叶片中低表达 |
| Catharanthus roseus | Vindoline生物合成途径 | T16H2 | Tabersonine 16-hydroxylase | 催化 | vindoline途径第一个酶 |
| Catharanthus roseus | Vindoline生物合成途径 | 16OMT | 16-hydroxytabersonine O-methyltransferase | 催化 | vindoline途径酶 |
| Catharanthus roseus | Vindoline生物合成途径 | T3O | Tabersonine 3-oxygenase | 催化 | vindoline途径酶，受CrDELLA沉默影响 |
| Catharanthus roseus | Vindoline生物合成途径 | T3R | Tabersonine 3-reductase | 催化 | vindoline途径酶，受CrDELLA沉默影响 |
| Catharanthus roseus | Vindoline生物合成途径 | NMT | N-methyltransferase | 催化 | vindoline途径酶，启动子活性受截短CrDELLA过表达增强 |
| Catharanthus roseus | Vindoline生物合成途径 | D4H | Desacetoxyvindoline 4-hydroxylase | 催化 | vindoline途径酶，启动子活性受截短CrDELLA过表达增强 |
| Catharanthus roseus | Vindoline生物合成途径 | DAT | Deacetylvindoline 4-O-acetyltransferase | 催化 | vindoline途径最后一个酶 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | TDC | Tryptophan decarboxylase | 催化 | 上游TIA途径酶，不受CrDELLA沉默显著影响 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | G10H | Geraniol 10-hydroxylase | 催化 | 上游TIA途径酶，不受CrDELLA沉默显著影响 |
| Catharanthus roseus | 光信号通路 | CrPIF4/5 | Phytochrome interacting factor 4/5 (KR703668.1) | 调控 | 光信号转录因子，与CrDELLA1在Y2H中互作 |
| Catharanthus roseus | 茉莉酸（JA）信号通路 | CrJAZ1 | Jasmonate ZIM domain 1 (FJ040204.1) | 调控 | JA信号抑制因子，与CrDELLA1在Y2H中互作 |
关键发现
- VIGS沉默CrDELLA使未成熟叶中T3O、T3R、NMT、D4H表达显著下降20-30%（p分别为0.03、0.01、0.02、0.008），成熟叶中D4H下降45%（p=0.02）
- 沉默CrGID1使成熟叶T3O、NMT、D4H、D4T表达增加1.3-2.8倍（p=0.2，弱证据）。CrDELLA沉默导致叶长宽比在未成熟叶中增加43%（p=0.0004），成熟叶中增加30%（p=0.04）。过表达截短型CrDELLA1Δ1-112或CrDELLA2Δ1-113显著增强NMT和D4H启动子活性。pacobutrazol处理提供了一些支持CrDELLA正向调控vindoline途径的证据。
研究结论
综合证据表明CrDELLA可能在特定条件下正向调控vindoline生物合成，但证据强度为弱到中等；未来通过转基因方法可进一步验证该关系，利用稳定CrDELLA激活vindoline途径有望提高长春碱和长春新碱等关键化疗药物的产量。