Gene transcript profiles of the TIA biosynthetic pathway in response to ethylene and copper reveal their interactive role in modulating TIA biosynthesis in Catharanthus roseus
- 作者
- Ya-Jie Pan, Jia Liu, Xiao-Rui Guo, Yuan-Gang Zu, Zhong-Hua Tang
- 单位
- The Key Laboratory of Plant Ecology, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
- 杂志
- Protoplasma（2014）
- DOI
- 10.1007/s00709-014-0718-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探究乙烯和铜（Cu）对长春花（Catharanthus roseus）萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成途径多个关键基因转录表达的调控作用及其交互机制，揭示ERF与MPK转录因子在此过程中的角色。
研究策略
以乙烯利（ethrel）作为乙烯供体、CuSO4作为铜处理，对3个月大长春花幼苗进行不同浓度及组合处理，利用qRT-PCR检测TIA途径中10余个关键基因（TDC、G10H、SLS、STR、SGD、D4H、DAT、T16H、AS等）及调控基因（ERF、MPK、MYC）的表达，通过主成分分析（PCA）计算Q值进行综合转录模式分析，结合相关分析、代谢物含量测定及形态指标，构建调控模型。
核心内容
本研究以三个月大的长春花幼苗为材料，通过乙烯利和硫酸铜不同浓度及组合处理，利用qRT-PCR检测TIA生物合成途径中TDC、G10H、SLS、STR、SGD等关键基因及ERF、MPK等调控基因的表达，并采用主成分分析计算Q值量化途径整体转录水平。结果显示，乙烯处理使Q值呈正态分布，峰值出现在15-30 μM乙烯利；铜处理使根中TIA基因总体表达约为对照7倍，而对叶片影响较小；二者联合处理使叶片和根中表达均提高约3倍。基因表达具有组织特异性，如D4H在叶片中至少比根中高10倍，G10H在根中特异高表达。相关分析发现叶片中SGD与MPK、MYC相关系数分别达1.000和0.998，根部SGD与ERF相关系数达0.997。代谢物方面，蛇根碱在根中比叶中高3倍，联合处理促进叶片中长春碱积累，但生物碱含量与基因表达水平并不一致。研究提出ERF主要在根部响应铜调控上游途径基因，MPK主要在成熟前叶片响应乙烯调控STR基因，二者形成正反馈环协同调节TIA合成，同时暗示转录后及翻译后调控在该途径中发挥重要作用。
创新点
1. 运用主成分分析（PCA）对多基因转录本进行整体聚类，以Q值量化TIA途径基因的总体表达水平；2. 首次系统揭示乙烯和铜在叶片与根中、不同发育阶段对TIA途径基因的差异调控；3. 提出ERF主要在根部响应铜调控上游途径基因（SLS、TDC等），MPK主要在成熟前叶片响应乙烯调控STR基因，且两者形成正反馈环的调控模型。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 长春花（Catharanthus roseus） | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成途径 | TDC | 色氨酸脱羧酶 | 催化 | 催化色氨酸脱羧形成色胺，上游途径关键酶。 |
| 长春花（Catharanthus roseus） | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成途径 | G10H | 香叶醇10-羟化酶 | 催化 | 催化香叶醇转化为10-羟基香叶醇，萜类上游途径酶。 |
| 长春花（Catharanthus roseus） | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成途径 | SLS | 开联番木鳖苷合酶 | 催化 | 催化马钱苷酸形成开联番木鳖苷（secologanin）。 |
| 长春花（Catharanthus roseus） | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成途径 | STR | 异胡豆苷合酶 | 催化 | 催化色胺和开联番木鳖苷缩合形成异胡豆苷（strictosidine），关键限速酶。 |
| 长春花（Catharanthus roseus） | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成途径 | SGD | 异胡豆苷β-D-葡萄糖苷酶 | 催化 | 水解异胡豆苷，生成吲哚碱类前体。 |
| 长春花（Catharanthus roseus） | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成途径 | D4H | 脱乙酰氧基长春碱-4-羟化酶 | 催化 | 催化它波宁衍生物羟基化，参与文多灵（vindoline）合成。 |
| 长春花（Catharanthus roseus） | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成途径 | DAT | 乙酰辅酶A:4-O-脱乙酰长春碱4-O-乙酰转移酶 | 催化 | 催化4-O-脱乙酰文多灵乙酰化生成文多灵。 |
| 长春花（Catharanthus roseus） | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成途径 | T16H | 它波宁-16-羟化酶 | 催化 | 催化它波宁16-羟基化，参与文多灵途径。 |
| 长春花（Catharanthus roseus） | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成途径 | AS | 邻氨基苯甲酸合酶 | 催化 | 催化分支酸转化为邻氨基苯甲酸，莽草酸途径关键酶。 |
| 长春花（Catharanthus roseus） | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成途径 | MPK3 | 丝裂原活化蛋白激酶3 | 调控 | 参与乙烯胁迫信号转导，正向调控TIA途径基因（尤其是STR）表达。 |
| 长春花（Catharanthus roseus） | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成途径 | MYC2 | 髓细胞组织增生癌基因2（转录因子） | 调控 | 转录因子，与STR、SGD表达相关。 |
| 长春花（Catharanthus roseus） | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成途径 | ERF | 乙烯响应因子 | 调控 | 转录因子，主要在根部响应铜胁迫，调控上游基因SLS、TDC等。 |
关键发现
- 乙烯处理后，TIA途径基因总体表达（Q值）呈标准正态分布，峰值出现在15-30 μM乙烯利（ethrel）处理，且成熟前叶片Q值高于未成熟叶、成熟叶和根
- 铜（Cu）处理使根中TIA基因总体表达约为对照的7倍（Fig. 3B），而对叶片影响较小
- 乙烯和铜联合处理使叶片和根中的TIA基因表达均较对照提高约3倍（Fig. 3C）。基因表达具有组织特异性：G10H在根中特异高表达，D4H在根中极低、在叶片中至少高10倍（Fig. 2D）。相关分析显示，叶片中SGD与MPK、MYC相关系数分别达1.000（p<0.001）和0.998（p<0.01）
- 根部SGD与ERF相关系数0.997（p<0.01），ERF与AS相关系数0.987（p<0.05）。代谢物方面，蛇根碱（serpentine）在根中含量比叶中高3倍，长春质碱（catharanthine）在根中比叶中低2倍（Fig. 5C,D）。乙烯和铜联合处理显著促进叶片中长春碱（vinblastine）和长春质碱等积累，但整体上生物碱积累与基因表达水平并不一致，暗示存在转录后/翻译后调控。
研究结论
乙烯和铜通过不同的时空方式调节长春花TIA生物合成基因：ERF主要在根部响应铜胁迫，调控上游途径基因（如SLS、TDC）；MPK主要在成熟前叶片响应乙烯，调控STR基因；两者形成正反馈环协同调节TIA基因表达。然而生物碱积累与基因表达变化不一致，说明TIA生物合成还受转录后和翻译后机制的精细调控。