Characterization of the ZCTs, a subgroup of Cys2-His2 zinc finger transcription factors regulating alkaloid biosynthesis in Catharanthus roseus
- 作者
- Krystyna K. F. Traverse, Samuel Breselge, Juliet G. Trautman, Amanda Dee, Jie Wang, Kevin L. Childs, Carolyn W. T. Lee-Parsons
- 单位
- Department of Chemical Engineering, Northeastern University, Boston, MA 02115, USA; Department of Biology, Northeastern University, Boston, MA, USA; Department of Bioengineering, Northeastern University, Boston, MA, USA; Department of Plant Biology, Michigan State University, East Lansing, MI, USA; Department of Chemistry and Chemical Biology, Northeastern University, Boston, MA, USA
- 杂志
- Plant Cell Reports（2024）
- DOI
- 10.1007/s00299-024-03295-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析长春花（Catharanthus roseus）中调控萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成的ZCT转录因子亚家族成员及其调控机制，特别是新鉴定的ZCT4、ZCT5、ZCT6的功能与冗余性。
研究策略
通过生物信息学鉴定新的ZCT成员；利用瞬时过表达结合启动子-报告基因、RT-qPCR分析ZCT对TIA通路启动子的调控；通过茉莉酸甲酯处理研究其响应性；通过共表达CrMYC2a研究其上游调控机制。
核心内容
本研究系统解析了长春花中调控萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成的Cys2-His2锌指转录因子ZCT亚家族。通过生物信息学分析，从转录组中鉴定出65个锌指转录因子，其中ZCT亚家族包含6个成员，新发现的ZCT4-6将该家族从3个扩展至6个，且ZCT6存在截短变体。组织表达分析显示ZCT3在多数组织中表达最高，而ZCT5和ZCT6在花中表达最高；叶中ZCT表达低但生物碱含量高，花和茎中则相反，提示ZCT可能作为负调控因子。在250 μM茉莉酸甲酯处理下ZCT1和ZCT3在24小时升高5-10倍，1000 μM处理下ZCT1升高约100倍。瞬时共表达ZCT1-6可显著抑制pLAMT（27%）、pSTR1（57%）、pT16H2（29%）和pT3O（35%）启动子活性，同时激活pT16H1（42%）、pNMT（97%）和pD4H（122%）。单独过表达时ZCT4/5/6抑制pSTR1达41-61%，ZCT1/2抑制pT16H2达38-47%。此外，去抑制型CrMYC2a（D126N）可使pZCT1和pZCT3启动子活性均提高5倍，表明ZCTs受CrMYC2a介导的茉莉素信号调控。这些结果表明ZCTs作为茉莉素响应的转录调节因子，对TIA途径多个关键基因发挥差异化调控作用，在植物适应茉莉素诱导的代谢重编程中具有重要功能。
创新点
发现并表征了三个新的ZCT成员（ZCT4-6），将ZCT家族扩展至6个成员；首次证明ZCTs能调控长春质碱（vindoline）通路启动子；揭示了CrMYC2a介导的ZCT茉莉素响应机制。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 长春花（Catharanthus roseus）幼苗 | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | ZCT1 | ZCT1 | 调控 | TIA通路候选转录抑制因子，含EAR motif |
| 长春花（Catharanthus roseus）幼苗 | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | ZCT2 | ZCT2 | 调控 | TIA通路候选转录抑制因子，含EAR motif |
| 长春花（Catharanthus roseus）幼苗 | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | ZCT3 | ZCT3 | 调控 | TIA通路候选转录抑制因子，含EAR motif，L-box内有第二个LxLxL |
| 长春花（Catharanthus roseus）幼苗 | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | ZCT4 | ZCT4 | 调控 | 新鉴定成员，与ZCT2最接近，响应茉莉素 |
| 长春花（Catharanthus roseus）幼苗 | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | ZCT5 | ZCT5 | 调控 | 新鉴定成员，茉莉素处理下表达受抑制 |
| 长春花（Catharanthus roseus）幼苗 | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | ZCT6 | ZCT6 | 调控 | 新鉴定成员，与ZCT3最接近，响应茉莉素，存在截短变体tZCT6 |
| 长春花（Catharanthus roseus）幼苗 | 茉莉素信号通路 | CrMYC2a | CrMYC2a | 调控 | bHLH转录激活因子，去抑制突变体D126N可激活pZCT1和pZCT3 |
| 长春花（Catharanthus roseus）幼苗 | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | LAMT | LAMT（loganic acid methyltransferase） | 催化 | 启动子被ZCTs pool抑制27% |
| 长春花（Catharanthus roseus）幼苗 | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | STR1 | STR1（strictosidine synthase） | 催化 | 启动子被ZCTs pool抑制57%，ZCT4/5/6单独抑制41-61% |
| 长春花（Catharanthus roseus）幼苗 | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | T16H1 | T16H1（tabersonine 16-hydroxylase 1） | 催化 | 启动子被ZCTs pool激活42% |
| 长春花（Catharanthus roseus）幼苗 | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | T16H2 | T16H2（tabersonine 16-hydroxylase 2） | 催化 | 启动子被ZCTs pool抑制29%，ZCT1/2单独抑制38-47% |
| 长春花（Catharanthus roseus）幼苗 | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | T3O | T3O（tabersonine 3-oxygenase） | 催化 | 启动子被ZCTs pool抑制35% |
| 长春花（Catharanthus roseus）幼苗 | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | NMT | NMT（16-methoxy-2,3-dihydro-3-hydroxytabersonine N-methyltransferase） | 催化 | 启动子被ZCTs pool激活97% |
| 长春花（Catharanthus roseus）幼苗 | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | D4H | D4H（desacetoxyvindoline 4-hydroxylase） | 催化 | 启动子被ZCTs pool激活122% |
| 长春花（Catharanthus roseus）毛状根 | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | ZCT1,ZCT2,ZCT3,ZCT4,ZCT5,ZCT6 | ZCT1-6 | 调控 | 茉莉素响应表达分析：250 μM时ZCT1/3升高5-10倍，1000 μM时ZCT1升高约100倍，ZCT2/3/4/6升高5-20倍，ZCT5受抑制 |
关键发现
- 从长春花转录组中鉴定出65个Cys2-His2锌指转录因子，ZCT亚家族包含ZCT1-6（其中ZCT4-6为新成员，ZCT6存在截短变体tZCT6）。组织表达分析显示ZCT3在多数组织中表达最高，花中ZCT5和ZCT6最高
- 花和茎中ZCT高但生物碱低，叶中ZCT低但生物碱高。在250 μM茉莉酸甲酯处理下，ZCT1和ZCT3在24 h升高5-10倍
- 在1000 μM处理下，ZCT1升高约100倍，ZCT2/3/4/6升高5-20倍
- ZCT5受抑制。瞬时共表达ZCT1-6显著抑制pLAMT（27%，p<0.05）、pSTR1（57%，p<0.0001）、pT16H2（29%，p<0.01）和pT3O（35%，p<0.001），并激活pT16H1（42%，p<0.05）、pNMT（97%，p<0.0001）和pD4H（122%，p<0.0001）。单独过表达时，ZCT4/5/6抑制pSTR1达41-61%，ZCT1/2抑制pT16H2达38-47%。去抑制型CrMYC2a（D126N）使pZCT1和pZCT3启动子活性均提高5倍。
研究结论
C. roseus ZCTs是茉莉素响应转录因子，可被CrMYC2a诱导，高表达时能作为TIA途径的重要抑制/调节因子，可能在植物对茉莉素诱导的适应性反应中发挥作用。