Coordinated regulation of two indole alkaloid biosynthetic genes from Catharanthus roseus by auxin and elicitors
- 作者
- Giancarlo Pasquali, Oscar J.M. Goddijn, Anthony de Waal, Robert Verpoorte, Rob A. Schilperoort, J. Harry C. Hoge, Johan Memelink
- 单位
- Molbas Research Group, Department of Plant Molecular Biology, Chiusus Laboratory, Leiden University; Division of Pharmacognosy, Center for Bio-Pharmaceutical Sciences, Gorlaeus Laboratories, Leiden University
- 杂志
- Plant Molecular Biology（1992）
- DOI
- 10.1007/BF00047715
- 所属领域
- 植物分子生物学 / 次生代谢
- 关键词
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解决的核心问题
解析长春花（Catharanthus roseus）中萜类吲哚生物碱生物合成的关键酶——异胡豆苷合成酶（SSS）和色氨酸脱羧酶（TDC）的基因表达调控机制，特别关注生长素和真菌诱导子对这两个基因的协调调控作用。
研究策略
通过cDNA文库筛选和直接mRNA测序确定SSS完整mRNA序列；用Southern blot分析基因拷贝数；用Northern blot和run-off转录实验分别检测mRNA水平和转录活性在植物不同组织、悬浮细胞中受生长素和诱导子处理后的变化；用环己酰亚胺处理检测对从头蛋白合成的依赖性。
研究路线图
核心内容
该研究以长春花为材料，解析了萜类吲哚生物碱合成途径中异胡豆苷合成酶基因（sss）和色氨酸脱羧酶基因（tdc）的调控机制。通过cDNA文库筛选与直接mRNA测序，首次获得sss完整mRNA序列，全长1280个核苷酸，编码含31个氨基酸信号肽的352个氨基酸蛋白，并证实其为单拷贝基因。Northern blot和run-off转录实验显示，两基因在根中表达最高，叶中较弱；悬浮细胞转入无激素培养基后表达增强，而添加10 μM NAA可在6小时内使mRNA下降、3小时内完全抑制转录，其中tdc对生长素更敏感。真菌诱导子处理则相反，1小时内诱导两基因转录激活，8小时达峰值，且该诱导不受25 μM环己酰亚胺影响，15分钟内转录即增强。结果表明生长素与诱导子通过快速且不依赖新蛋白合成的途径协调调控sss和tdc，推测信号分子通过修饰既有转录因子活性实现细胞分裂与次生代谢的切换。
创新点
首次报道SSS完整mRNA序列；证明sss为单拷贝基因；发现sss与tdc在植物和悬浮细胞中协调表达，均受生长素转录抑制、受真菌诱导子快速转录激活且不依赖从头蛋白合成。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus（长春花）悬浮细胞系MP183L及植株 | 萜类吲哚生物碱生物合成途径 | sss | 严格苷合成酶（SSS） | 催化 | 催化色胺和裂环马钱子苷缩合生成异胡豆苷，是吲哚生物碱的通用前体；含31氨基酸信号肽，定位于液泡。 |
| Catharanthus roseus（长春花）悬浮细胞系MP183L及植株 | 萜类吲哚生物碱生物合成途径 | tdc | 色氨酸脱羧酶（TDC） | 催化 | 催化L-色氨酸脱羧生成色胺，是吲哚生物碱生物合成的上游关键酶。 |
关键发现
- SSS mRNA全长1280 nt（不含poly(A)尾），编码352个氨基酸的蛋白（Mr 39093），含有31个氨基酸的信号肽
- SSS由单拷贝基因编码
- 在植物中sss和tdc mRNA在根中表达最高，叶中较弱，茎和花中低但可检测
- 悬浮细胞转至无激素培养基后sss和tdc诱导表达，7天时高
- 加入10 μM NAA后6小时内mRNA水平下降，tdc下降比sss更显著，24小时恢复
- run-off转录实验显示NAA处理3小时可完全抑制sss和tdc转录
- 酵母提取物和Pythium培养滤液处理1小时内诱导sss和tdc mRNA，8小时达最大
- 环己酰亚胺（25 μM）不影响酵母提取物诱导的mRNA积累
- run-off转录显示酵母提取物处理15分钟内即可检测到sss和tdc转录增强。
研究结论
sss和tdc基因在长春花中受生长素和诱导子的协调转录调控：生长素负调控、诱导子正调控，两者均快速发生且不依赖从头蛋白合成，提示信号分子可能通过修饰预先存在的转录因子活性来调节基因表达，从而在细胞分裂与次生代谢之间实现切换。