Ectopic overexpression of WsSGTL1, a sterol glucosyltransferase gene in Withania somnifera, promotes growth, enhances glycowithanolide and provides tolerance to abiotic and biotic stresses
- 作者
- Syed Saema, Laiq ur Rahman, Ruchi Singh, Abhishek Niranjan, Iffat Zareen Ahmad, Pratibha Misra
- 单位
- Tissue Culture and Plant Transformation Laboratory, CSIR-National Botanical Research Institute, Rana Pratap Marg, Lucknow 226001, India; Department of Bioscience, Integral University, Lucknow, India; Department of Biotechnology, CSIR-Central Institute of Medicinal and Aromatic Plants, Lucknow, India
- 杂志
- Plant Cell Reports（2015）
- DOI
- 10.1007/s00299-015-1879-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
通过过表达睡茄（Withania somnifera）中的甾醇葡萄糖基转移酶基因WsSGTL1，解析其对withanolide糖基化、植物生长以及生物与非生物胁迫耐受性的影响。
研究策略
采用农杆菌介导转化法将WsSGTL1基因转入睡茄，获得稳定过表达的转基因株系，利用HPLC分析代谢物（withanolide、glycowithanolide和糖基化甾醇）含量变化，结合光合生理参数、叶绿素荧光成像、气孔密度统计和昆虫饲喂实验，综合评价转基因植株的表型、代谢和胁迫应答特征。
核心内容
该研究通过农杆菌介导法在睡茄中过表达甾醇葡萄糖基转移酶基因WsSGTL1，系统评估了其对植物生长、withanolide糖基化代谢以及生物和非生物胁迫耐受性的影响。转基因株系在生长和代谢方面均表现出显著变化：总叶面积和生物量约为野生型的4倍，茎生物量达215.4~288.8毫克，根生物量达135.8~227.8毫克，明显高于野生型的161.4毫克和105.4毫克。代谢物分析显示，叶片中withaferin A、withanolide A和withanone含量分别下降约4.7倍、3倍和7倍，而根中下降更为显著，同时withanoside V在叶和根中均增加约10倍，糖基化菜油甾醇、β-谷甾醇和豆甾醇分别增加约5倍、10倍和13.5倍。在冷胁迫下，转基因株系的Fv/Fm仅降低10%~20%，而野生型降低40%，光合速率也呈现出更缓慢的下降趋势，且部分株系在恢复期可完全复原。此外，转基因株系气孔密度增加18%~38%，用其叶片饲喂斜纹夜蛾幼虫的死亡率高达90%~100%，而对照仅为3.3%~6.6%。上述结果提示WsSGTL1通过促进甾醇和withanolide的糖基化，在增强植物生长、提高气孔密度及改善冷害和虫害抗性方面发挥关键作用，为睡茄代谢工程改良提供了重要靶点。
创新点
首次在睡茄中实现了WsSGTL1基因的过表达，证明其能够显著增加glycowithanolide（主要为withanoside V）和糖基化甾醇的积累，同时促进植物生长、增加气孔密度，并赋予植株对冷胁迫和斜纹夜蛾（Spodoptera litura）的生物胁迫抗性。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Withania somnifera | withanolide生物合成通路 | WsSGTL1 | 3β-羟基甾醇葡萄糖基转移酶 | 催化 | 特异性催化3β-羟基位的withanolide和甾醇的糖基化，过表达导致glycowithanolide（主要withanoside V）和糖基化甾醇含量显著增加。 |
| Withania somnifera | 甾醇代谢通路 | WsSGTL1 | 3β-羟基甾醇葡萄糖基转移酶 | 催化 | 增加菜油甾醇、β-谷甾醇和豆甾醇的糖基化形式，糖基化豆甾醇增加达13.5倍。 |
| Agrobacterium tumefaciens | 植物转化（载体系统） | NPTII | 新霉素磷酸转移酶 | 催化 | 作为选择标记基因，用于筛选转基因睡茄植株。 |
关键发现
- 转基因株系的总叶面积和生物量约为野生型（WT）的4倍
- 转基因株系茎生物量为215.4~288.8 mg，根生物量为135.8~227.8 mg，而WT分别为161.4 mg和105.4 mg。叶片中withaferin A、withanolide A和withanone分别下降约4.7倍、3倍和7倍
- 根中分别下降约6倍、7.3倍和10倍。转基因株系叶和根中withanoside V均增加约10倍。糖基化菜油甾醇增加约5倍，糖基化β-谷甾醇增加约10倍，糖基化豆甾醇增加约13.5倍。冷胁迫下WT的Fv/Fm降低40%，转基因株系仅降低10%~20%
- 光合速率A在WT中降低81%，而L1、L2、L3株系分别降低43%、39%和78%，其中L2在恢复10天后完全恢复。花青素含量在WT、L1、L2、L3中分别增加2、4、7、3倍。转基因株系气孔密度比WT增加18%~38%。用转基因叶片饲养斜纹夜蛾幼虫2~4天，死亡率达90%~100%，而WT叶片上死亡率仅3.3%~6.6%。
研究结论
WsSGTL1基因的过表达通过促进withanolide和甾醇的糖基化，增强了睡茄的生长能力、提高了气孔密度，并显著改善了植株对冷害和斜纹夜蛾的抗性。说明WsSGTL1在调控植物生长与胁迫响应中发挥重要作用，具有代谢工程应用潜力。