The role of the Golden2-like (GLK) transcription factor in regulating terpenoid indole alkaloid biosynthesis in Catharanthus roseus
- 作者
- Lauren F. Cole-Osborn, Shannon A. McCallan, Olga Fritti, Rafay Abu, Virginie Sjoelund, Carolyn W. T. Lee-Parsons
- 杂志
- Plant Cell Reports（2024）
- DOI
- 10.1007/s00299-024-03208-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
长春花叶片中萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成随发育阶段变化，未成熟叶中vindoline途径基因高表达，但调控该发育模式的分子机制未知。本研究旨在鉴定并功能表征参与TIA生物合成年龄相关调控的转录因子，即Golden2-like（GLK）转录因子。
研究策略
通过BLAST鉴定CrGLK同源物，分析其在不同组织、光照和发育阶段的表达；采用VIGS沉默CrGLK和叶绿体逆行信号诱导剂（norflurazon、lincomycin）处理降低CrGLK表达，结合qPCR和HPLC-MS/MS检测基因表达及TIA含量变化。
核心内容
本研究在长春花中鉴定并功能表征了单一Golden2-like（GLK）转录因子同源物CrGLK，旨在揭示其调控萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成随发育阶段变化的分子机制。通过BLAST鉴定CrGLK后，分析其组织、光照及发育阶段的表达模式，并采用病毒诱导基因沉默（VIGS）技术结合叶绿体逆行信号诱导剂（norflurazon和lincomycin）处理，利用qPCR和HPLC-MS/MS检测基因表达与TIA含量变化。结果表明，沉默CrGLK显著降低叶绿素含量，CrLHCB2.2表达下降23%–56%；在低光条件下，vindoline、catharanthine、serpentine和ajmalicine水平增加超过2倍，其中vindoline和catharanthine显著升高，但D4H表达降低约40%。lincomycin处理使CrGLK和CrLHCB2.2表达分别下降约75%和90%，多数vindoline通路基因表达增加50%–125%，上游基因G10H、TDC、CS/HL1增加至少2倍。这些发现首次证明叶绿体逆行信号可影响TIA生物合成，并揭示CrGLK作为TIA生物合成抑制因子的新功能，为通过调控CrGLK提高长春花中药用生物碱产量提供了潜在策略。
创新点
首次在长春花中鉴定并功能表征单一GLK同源物CrGLK；首次证明叶绿体逆行信号可影响TIA生物合成；揭示CrGLK可能作为TIA生物合成的抑制因子。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱生物合成 | CrGLK (CRO_T112335) | Golden2-like transcription factor | 调控 | 转录因子，沉默后增加TIA积累，可能抑制TIA生物合成 |
| Catharanthus roseus | 光合作用/叶绿体发育 | CrLHCB2.2 (CRO_T101917) | Light harvesting complex subunit B2.2 | 能量供给 | 光捕获复合体亚基，受CrGLK正调控，沉默CrGLK使其表达降低23-56% |
| Catharanthus roseus | vindoline生物合成 | T16H2, 16OMT, T3O, T3R, NMT, D4H, DAT | Tabersonine 16-hydroxylase, 16-O-methyltransferase, tabersonine 3-oxygenase, tabersonine 3-reductase, N-methyltransferase, desacetoxyvindoline 4-hydroxylase, deacetylvindoline 4-O-acetyltransferase | 催化 | vindoline途径酶；CrGLK沉默后大多数表达增加，D4H显著降低约40% |
| Catharanthus roseus | TIA上游生物合成 | G10H, TDC, STR, CS/HL1 | Geraniol 10-hydroxylase, tryptophan decarboxylase, strictosidine synthase, secologanin synthase/hypothetical protein HL1 | 催化 | 上游TIA途径酶；lincomycin处理后表达增加至少2倍 |
| Catharanthus roseus | vindoline生物合成调控 | CrGATA1 | GATA transcription factor | 调控 | 已鉴定的vindoline途径激活因子，CrGLK沉默未影响其表达 |
关键发现
- 沉默CrGLK使叶绿素含量显著降低（p<0.001），CrLHCB2.2表达下降23-56%
- 在低光下，CrGLK沉默使vindoline、catharanthine、serpentine和ajmalicine水平增加超过2倍，其中vindoline和catharanthine显著增加（p<0.05）
- CrGLK沉默使D4H表达降低约40%
- lincomycin处理使CrGLK和CrLHCB2.2表达分别下降约75%和90%，使多数vindoline通路基因（T16H2、16OMT、T3O、T3R、DAT）表达增加50-125%，D4H降低约40%，上游基因G10H、TDC、CS/HL1表达增加至少2倍。
研究结论
CrGLK抑制TIA生物合成，沉默CrGLK可提高TIA积累；叶绿体逆行信号可能通过影响CrGLK调控TIA生物合成；具体分子机制需进一步研究。