The Yield of Essential Oils in Melaleuca alternifolia (Myrtaceae) Is Regulated through Transcript Abundance of Genes in the MEP Pathway
- 作者
- Hamish Webb, Robert Lanfear, John Hamill, William J. Foley, Carsten Külheim
- 单位
- Research School of Biology, Australian National University, Canberra, ACT, Australia; School of Biological Sciences, Monash University, Melbourne, Victoria, Australia
- 杂志
- PLoS ONE（2013）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0060631
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析茶树（Melaleuca alternifolia）叶片精油产量定量变异的分子调控机制，特别是MEP（甲基赤藓醇磷酸）通路基因转录丰度与单萜/倍半萜积累的关系。
研究策略
选取48个代表油产量范围的野生个体，利用气相色谱-质谱测定精油成分和含量，通过定量实时PCR检测MEP和MVA通路及下游萜烯合成相关基因的转录丰度，采用相关分析和多元回归模型揭示基因表达与萜烯性状间的关联。
核心内容
该研究以茶树（Melaleuca alternifolia）48个野生个体为材料，结合气相色谱-质谱测定精油成分含量与定量实时PCR检测基因转录丰度，系统分析了MEP和MVA通路及下游萜烯合成基因表达与精油产量变异的关系。结果显示，总萜烯产量范围为39.4至122.3 mg/g干重，其中terpinen-4-ol+浓度变异中87%（R²=0.87）可由MEP通路基因表达水平解释，且该通路各基因呈共调控表达模式。研究还发现，MEP通路基因表达与倍半萜bicyclogermacrene积累显著相关，其单独解释该化合物浓度变异的50%，而胞质MVA基因仅解释14.6%，两者联合可解释60.3%，提示倍半萜合成至少部分利用来自质体MEP途径的IPP前体。该工作首次在天然植物群体中证实MEP通路基因转录丰度是茶树精油产量的重要决定因素，并揭示多基因联合分析比单基因关联更能有效解析萜烯积累的调控机制，为精油代谢工程改良提供了分子靶标依据。
创新点
首次在天然植物群体中系统分析MEP通路全部基因表达与精油产量的关系；发现MEP通路基因共调控；多元回归模型显示MEP通路基因表达变异可解释87%的单萜浓度变异；提供倍半萜部分利用质体MEP途径IPP的证据。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Melaleuca alternifolia | MEP pathway | dxs1 | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase | 催化 | 转录定量实验失败，未纳入分析 |
| Melaleuca alternifolia | MEP pathway | dxs2 | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase | 催化 | 参与单萜生物合成的重要同工酶基因 |
| Melaleuca alternifolia | MEP pathway | dxs3 | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase | 催化 | 可能不直接参与叶单萜合成，功能不同 |
| Melaleuca alternifolia | MEP pathway | dxr | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase | 催化 | 与单萜含量显著相关，R²=0.337 |
| Melaleuca alternifolia | MEP pathway | mct | 2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate cytidylyltransferase | 催化 | 表达与其他基因无显著相关，可能受独立调控 |
| Melaleuca alternifolia | MEP pathway | cmk | 4-diphosphocytidyl-2-C-methyl-D-erythritol kinase | 催化 | 与gpps表达相关性最高，R²=0.725 |
| Melaleuca alternifolia | MEP pathway | mcs | 2-C-methyl-D-erythritol 2,4-cyclodiphosphate synthase | 催化 | 与倍半萜bicyclogermacrene相关，R²=0.152 |
| Melaleuca alternifolia | MEP pathway | hds | (E)-4-hydroxy-3-methyl-but-2-enyl pyrophosphate synthase | 催化 | 与dxs2表达相关，R²=0.611 |
| Melaleuca alternifolia | MVA pathway | hmgs1 | 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA synthase | 催化 | MVA通路基因，参与倍半萜前体供给 |
| Melaleuca alternifolia | MVA pathway | mvk | mevalonate kinase | 催化 | MVA通路基因，与pmd1相关性最高，R²=0.526 |
| Melaleuca alternifolia | MVA pathway | pmd1 | 5-pyrophosphate-mevalonate decarboxylase | 催化 | MVA通路基因 |
| Melaleuca alternifolia | terpenoid biosynthesis | ippi1 | isopentenyl pyrophosphate isomerase | 催化 | IPP异构酶，影响单萜/倍半萜比例 |
| Melaleuca alternifolia | terpenoid biosynthesis | ippi2 | isopentenyl pyrophosphate isomerase | 催化 | 表达与总倍半萜浓度及单萜/倍半萜比相关 |
| Melaleuca alternifolia | terpenoid biosynthesis | gpps | geranyl pyrophosphate synthase | 催化 | 单萜合成直接前体GPP的合酶，表达与cmk强相关 |
关键发现
- 总萜烯产量范围39.4-122.3 mg/g DM（平均75.5 mg/g DM）
- 'terpinen-4-ol+'（含前体）范围14.5-68.5 mg/g DM（平均32.2 mg/g DM）
- bicyclogermacrene范围1.0-9.3 mg/g DM（平均3.1 mg/g DM）
- 多重回归分析中MEP通路基因表达解释了terpinen-4-ol+浓度变异的87%（R²=0.87）
- cmk与gpps表达相关性R²=0.725
- dxr表达与terpinen-4-ol+浓度的相关性R²=0.337
- mcs表达与bicyclogermacrene浓度的相关性R²=0.152
- 在倍半萜bicyclogermacrene预测模型中，质体MEP基因单独解释R²=0.500，胞质MVA基因单独解释R²=0.146，两者同时纳入时R²=0.603。
研究结论
MEP通路基因的转录丰度是Melaleuca alternifolia精油产量的重要决定因素，且该通路基因呈共调控表达；倍半萜合成至少部分利用来自质体MEP途径的IPP，提示存在IPP从质体向胞质的转运；通过多基因联合分析比单基因关联更能揭示精油产量的调控机制。