Metabolic shift from whatsteroid formation to phenylpropanoid accumulation in cryptogein-cotransformed hairy roots of Withania somnifera (L.) Dunal
- 作者
- Bipradut Sil, Chiranjit Mukherjee, Sumita Jha, Adinpunya Mitra
- 单位
- Centre for Advanced Study, Department of Botany, University of Calcutta; Natural Product Biotechnology Group, Agricultural and Food Engineering Department, Indian Institute of Technology Kharagpur
- 杂志
- Protoplasma（2014）
- DOI
- 10.1007/s00709-014-0743-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探究在Withania somnifera（睡茄）毛状根中共表达病原真菌激发子蛋白β-cryptogein基因后，代谢流从醉茄内酯（withasteroid）生物合成转向苯丙烷类积累的现象及其分子机制。
研究策略
利用农杆菌LBA9402介导遗传转化，建立表达β-cryptogein基因的共转化毛状根系，以正常毛状根为对照，比较两者在醉茄内酯含量、可溶性与壁结合酚酸积累、关键酶活性（PAL、GPX、PK）及途径基因（HMGR、FPPS、SGT、PAL）转录水平上的差异。
核心内容
本研究通过农杆菌LBA9402介导的遗传转化，在睡茄毛状根中共表达真菌激发子蛋白β-cryptogein基因，以正常毛状根为对照，系统比较了醉茄内酯含量、可溶性与壁结合酚酸积累、关键酶活性及途径基因转录水平的差异。结果显示，共转化毛状根中withaferin A含量由正常的0.989 μg/mg DW降至0.147 μg/mg DW，withanolide A由1.765 μg/mg DW降至0.085 μg/mg DW，同时HMGR、FPPS、SGT转录本分别降低2.3倍、4.6倍和4倍；而总酚含量、壁结合阿魏酸含量及愈创木酚过氧化物酶活性均约为正常毛状根的2倍，PAL活性提高约3倍，PAL转录本积累增加约6倍，丙酮酸激酶活性则降低约3倍。克隆的PAL核心cDNA片段长481 bp，与其他植物PAL氨基酸序列一致性达96%。上述结果表明，β-cryptogein的内源表达可显著抑制醉茄内酯生物合成基因的表达，同时激活苯丙烷途径，促使碳代谢流从萜类合成转向酚酸尤其是阿魏酸的积累，首次在睡茄中证实了通过内源激发子模拟病原刺激来重塑次生代谢流的可行性。
创新点
首次在W. somnifera共转化毛状根中证明内源表达真菌elicitor蛋白β-cryptogein可使碳代谢流从萜类（醉茄内酯）途径转向苯丙烷类途径，为通过内源激发子模拟病原刺激调控植物次生代谢提供了新策略。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Withania somnifera (L.) Dunal hairy root | 苯丙烷代谢通路 | cryptogein gene | β-cryptogein | 调控 | 来自Phytophthora cryptogea的elicitor蛋白，内源表达触发防御反应，促使代谢流转向苯丙烷类积累 |
| Withania somnifera (L.) Dunal hairy root | 苯丙烷代谢通路 | PAL | 苯丙氨酸解氨酶 | 催化 | 催化苯丙氨酸脱氨生成反式肉桂酸，是苯丙烷途径关键酶，共转化毛状根中活性与转录水平均显著升高 |
| Withania somnifera (L.) Dunal hairy root | 醉茄内酯生物合成途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 催化HMG-CoA转化为甲羟戊酸，MVA途径限速酶，共转化毛状根中转录水平降低2.3倍 |
| Withania somnifera (L.) Dunal hairy root | 醉茄内酯生物合成途径 | FPPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化IPP与DMAPP缩合生成法尼基焦磷酸（FPP），共转化毛状根中转录水平降低4.6倍 |
| Withania somnifera (L.) Dunal hairy root | 醉茄内酯生物合成途径 | SGT | 甾醇糖基转移酶 | 催化 | 催化甾醇C-3羟基糖基化，涉及醉茄内酯糖苷化，共转化毛状根中转录水平降低4倍 |
| Withania somnifera (L.) Dunal hairy root | 活性氧清除与木质化 | — | 愈创木酚过氧化物酶（GPX） | 催化 | 氧化愈创木酚，参与木质素合成和逆境响应，共转化毛状根中活性升高约2倍 |
| Withania somnifera (L.) Dunal hairy root | 糖酵解 | — | 丙酮酸激酶（PK） | 催化 | 催化磷酸烯醇丙酮酸转化为丙酮酸并产生ATP，共转化毛状根中活性降低约3倍，影响异戊二烯前体供应 |
关键发现
- 正常毛状根中21天时withaferin A含量为0.989 μg/mg DW，withanolide A为1.765 μg/mg DW
- 共转化毛状根中分别降至0.147和0.085 μg/mg DW。共转化毛状根总酚含量比正常高约2倍，壁结合阿魏酸含量高约2倍，愈创木酚过氧化物酶活性高约2倍，PAL活性高约3倍，PAL转录本积累高约6倍
- 而丙酮酸激酶活性降低约3倍，HMGR、FPPS、SGT转录本积累分别降低2.3倍、4.6倍和4倍。克隆的PAL核心cDNA片段长481 bp，氨基酸序列与其他植物PAL一致性达96%。
研究结论
β-cryptogein在W. somnifera共转化毛状根中的表达导致醉茄内酯合成基因（HMGR、FPPS、SGT）表达下调和醉茄内酯积累显著减少，同时激活苯丙烷途径（PAL表达和活性增强），促进可溶性和壁结合酚酸（尤其是阿魏酸）积累，表明代谢流从萜类生物合成向苯丙烷类积累发生了明显转移，这在W. somnifera中属首次报道。