Overexpression of a synthetic insect–plant geranyl pyrophosphate synthase gene in Camellia sativa alters plant growth and terpene biosynthesis
- 作者
- Jing Xi, Lorenzo Rossi, Xiuli Lin, De-Yu Xie
- 单位
- Department of Plant and Microbial Biology, North Carolina State University, Raleigh, NC 27695, USA
- 杂志
- Planta（2016）
- DOI
- 10.1007/s00425-016-2504-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
提高植物中牻牛儿基焦磷酸合酶（GPPS）的催化效率，调控萜类代谢，减少异戊二烯排放并改善亚麻荠（Camelina sativa）的生长性状。
研究策略
合成一个由拟南芥质体转运肽（PTP）、桃蚜（Myzus persicae）GPPS小亚基（MpGPPS-S）和HA标签组成的新型嵌合基因PTP-MpGPPS，通过农杆菌介导转化导入亚麻荠，利用2×35S启动子驱动表达，分析转基因植株的生长、萜类代谢、异戊二烯排放及相关基因表达。
研究路线图
核心内容
研究者合成了一种由拟南芥质体转运肽、桃蚜牻牛儿基焦磷酸合酶小亚基及HA标签组成的新型嵌合基因PTP-MpGPPS，并通过农杆菌介导法将其导入亚麻荠，利用2×35S启动子驱动表达。共聚焦显微镜证实该蛋白定位于质体，结构建模显示其形成同源二聚体。转基因T2和T3植株较野生型长得更高、叶片更大、节间更多更长，开花提早2-3天。GC-MS分析显示，转基因植株花中β-amyrin含量比野生型高约18%，茎中高约33%，茎中campesterol高约12%；异戊二烯排放率从野生型的约0.2 mg/day/g FW降至约0.14 mg/day/g FW。qRT-PCR表明赤霉素响应基因EXP8和SCL3表达量提高1.2倍，油菜素内酯响应基因也显著上调。该研究证明合成生物学策略可通过过表达昆虫来源的GPPS减少光合同化碳以异戊二烯形式的损失，将碳代谢流导向植物生长和萜类储存代谢物积累，为作物改良提供了新思路。
创新点
1. 首次合成了由三个不同cDNA来源（拟南芥PTP、桃蚜MpGPPS、HA标签）组成的质体定位同源二聚体昆虫-植物GPPS基因；2. 证明了该合成基因在植物中具有催化功能，能有效改变萜类代谢和植物生长；3. 首次发现草本植物亚麻荠在冬季也能排放异戊二烯，且过表达GPPS可显著减少异戊二烯排放。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Camelina sativa (品种Calena) | 萜类生物合成 (MVA/MEP途径) | PTP-MpGPPS | PTP-MpGPPS蛋白（同源二聚体prenyltransferase） | 催化 | 催化IPP和DMAPP缩合生成GPP，定位于质体 |
| Camelina sativa | 萜类生物合成 | MpGPPS (AAY33491.1) | MpGPPS-S小亚基 | 催化 | 具有双功能GPP/FPP合酶活性，催化效率约为长亚基的4倍 |
| Camelina sativa | 质体靶向（蛋白转运） | AtRBCS1A (at1g67090) | 质体转运肽（PTP） | 区室化 | 其1-240 bp片段编码80个氨基酸的PTP，用于引导蛋白进入质体 |
| Nicotiana benthamiana | 亚细胞定位 | PTP-MpGPPS:GFP | PTP-MpGPPS-GFP融合蛋白 | 区室化 | 共聚焦显微镜确认定位于叶绿体 |
| Camelina sativa | 植物激素信号（GA和BR） | EXP8, SCL3, AGP4, EXP5, δ-TIP | — | 调控 | 这些基因分别是GA和BR响应的标记基因，在转基因植株中表达上调 |
关键发现
- 合成了1353 bp的PTP-MpGPPS cDNA，由1086 bp MpGPPS片段（编码362个氨基酸）、240 bp PTP片段（编码80个氨基酸）和27 bp HA标签片段组成
- 结构建模显示该蛋白为同源二聚体prenyltransferase（P=1.86E-08），模板为鸟类法尼基焦磷酸合酶
- 共聚焦显微镜证实PTP-MpGPPS-GFP定位于质体
- 转基因T2和T3植株比野生型长得更高、叶片更大、节间更多更长，开花提早2-3天
- GC-MS显示转基因植株花中β-amyrin含量比野生型高约18%（FW），茎中高约33%（FW），茎中campesterol高约12%（FW）
- 异戊二烯排放率：野生型约0.2 mg/day/g FW，转基因约0.14 mg/day/g FW，显著降低
- qRT-PCR显示GA响应基因EXP8和SCL3表达量提高1.2倍（P<0.01），BR响应基因AGP4、EXP5和δ-TIP显著上调（P<0.01）。
研究结论
合成的PTP-MpGPPS cDNA导入亚麻荠质体后，可减少异戊二烯排放，促进植物生长和早花，增加β-amyrin和campesterol的积累。该概念验证研究表明，合成生物学方法可用于减少光合同化碳的损失，并将碳代谢流导向植物生长和储存代谢物。