Responses of Defense Signals, Biosynthetic Gene Transcription and Taxoid Biosynthesis to Elicitation by a Novel Synthetic Jasmonate in Cell Cultures of Taxus chinensis
- 作者
- Fengxian Hu, Junhai Huang, Yufang Xu, Xuhong Qian, Jian-Jiang Zhong
- 单位
- State Key Laboratory of Bioreactor Engineering, East China University of Science and Technology; Shanghai Key Laboratory of Chemical Biology, Institute of Pesticides and Pharmaceuticals, East China University of Science and Technology
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2006）
- DOI
- 10.1002/bit.20291
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
新型合成茉莉酸酯类诱导子HEJ在红豆杉细胞培养中诱导紫杉烷类次生代谢物（taxuyunnanine C）生物合成的信号转导机制尚不清楚，特别是防御信号（H2O2和JA）与紫杉烷生物合成关键酶基因表达之间的关系。
研究策略
以2-羟乙基茉莉酸酯（HEJ）为典型诱导子，检测其诱导的防御信号（H2O2产生、LOX活性、内源JA积累），并利用NADPH氧化酶抑制剂DPI和脂氧合酶抑制剂IBU分别阻断H2O2和JA信号，考察它们对紫杉烷生物合成关键酶GGPPs和TS基因转录及Tc积累的影响，进而提出信号转导级联。
核心内容
该研究以红豆杉悬浮细胞为对象，系统解析了新型合成茉莉酸酯诱导子HEJ促进紫杉烷类次生代谢物积累的信号转导机制。通过检测HEJ处理后细胞内H₂O₂爆发、脂氧合酶活性及内源茉莉酸含量变化，并利用NADPH氧化酶抑制剂DPI和脂氧合酶抑制剂IBU分别阻断相关信号通路，考察了关键酶基因GGPPs和TS的转录水平及紫杉醇前体taxuyunnamine C的积累。结果发现，HEJ处理30分钟即引发H₂O₂浓度升至22.5 μM，内源JA在3小时达到对照的约30倍；GGPPs和TS转录在6小时分别达到对照的11倍和20倍。用IBU抑制JA合成后，两个基因的诱导表达大幅削弱，而DPI抑制H₂O₂产生却对基因转录无显著影响。最终HEJ处理使taxuyunnamine C含量从4.30 mg/gDW提升至11.91 mg/gDW，高于MJ处理的9.91 mg/gDW，且外源H₂O₂虽能小幅提高产量但不激活基因表达。这表明HEJ主要通过JA信号激活关键酶基因转录促进紫杉烷积累，H₂O₂虽参与合成但非基因转录必需，两者协同构成完整防御信号级联，且HEJ活性优于传统诱导子MJ。
创新点
首次系统地揭示了新型合成茉莉酸酯HEJ在红豆杉细胞中从防御信号响应到基因激活再到次生代谢产物积累的完整信号转导链条；证明JA介导GGPPs和TS基因表达，而H2O2虽参与Tc生物合成但不是激活这些基因所必需；发现HEJ比MJ在诱导防御信号和基因表达方面具有更强的活性。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus chinensis | 紫杉烷（taxoid）生物合成 | GGPPs | 香叶基香叶基二磷酸合酶（GGPP synthase） | 催化 | HEJ诱导其转录水平显著上调，受JA信号介导 |
| Taxus chinensis | 紫杉烷（taxoid）生物合成 | TS | 紫杉二烯合酶（taxadiene synthase） | 催化 | HEJ诱导其转录水平显著上调，受JA信号介导 |
| Taxus chinensis | 茉莉酸（JA）生物合成 | LOX | 脂氧合酶（lipoxygenase） | 催化 | HEJ诱导其活性升高，参与内源JA合成，被IBU抑制 |
| Taxus chinensis | 活性氧(ROS)产生 | — | NADPH氧化酶（NADPH oxidase） | 催化 | HEJ诱导H2O2氧化爆发，其活性被DPI抑制；H2O2不参与GGPPs和TS基因转录活化 |
关键发现
- HEJ诱导H2O2产生，30 min时HEJ处理组H2O2浓度为22.5 μM，对照组为3.8 μM
- LOX活性在25 min达到峰值
- JA含量在3 h后达峰值，约为对照的30倍，15 h后为对照的6倍
- HEJ诱导GGPPs和TS基因转录在6 h分别达到对照的11倍和20倍，168 h后降至4倍和15倍
- IBU抑制JA合成后，GGPPs转录从8.36倍降至1.78倍，TS从17.74倍降至2.25倍
- DPI抑制H2O2但不影响GGPPs和TS转录
- Tc含量在HEJ诱导后从4.30 mg/gDW升至11.91 mg/gDW（MJ为9.91 mg/gDW），DPI+HEJ处理为5.65 mg/gDW，IBU+HEJ处理为6.06 mg/gDW
- 外源500 μM H2O2使Tc含量提高30%，但不诱导GGPPs和TS基因表达。
研究结论
HEJ诱导的JA信号通过激活紫杉烷生物合成关键酶基因GGPPs和TS的转录来促进Tc积累，而H2O2信号虽参与Tc生物合成但并非GGPPs和TS基因转录活化所必需；两者共同构成了HEJ诱导的防御信号转导级联。