Transcriptomic and free monoterpene analyses of aroma reveal that isopentenyl diphosphate isomerase inhibits monoterpene biosynthesis in grape (Vitis vinifera L.)
- 作者
- Tianchi Chen, Tao Xu, Jinnan Wang, Tianye Zhang, Jin Yang, Lixiao Feng, Tiefeng Song, Jian Yang, Yueyan Wu
- 单位
- College of Biological and Environmental Sciences, Zhejiang Wanli University; College of Life Sciences, Zhejiang University; State Key Laboratory for Quality and Safety of Agro-Products, Institute of Plant Virology, Ningbo University
- 杂志
- BMC Plant Biology（2024）
- DOI
- 10.1186/s12870-024-05306-y
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析葡萄中单萜生物合成的分子机制，特别是异戊烯基焦磷酸异构酶（VvIDI）对单萜积累的调控作用及其亚细胞定位。
研究策略
以高单萜品种'Shine Muscat'和零单萜品种'Heibaladuo'为材料，结合转录组测序（RNA-Seq）和GC-MS代谢组学分析，筛选与单萜生物合成相关的候选基因和转录因子；通过瞬时过表达验证VvIDI功能，并利用GFP融合蛋白和共聚焦显微镜研究其叶绿体靶向机制。
核心内容
本研究以高单萜葡萄品种“Shine Muscat”和零单萜品种“Heibaladuo”为材料，结合RNA-Seq转录组测序与GC-MS代谢组学分析，系统解析了葡萄单萜生物合成的调控机制。共鉴定出44种游离挥发性香气物质，其中芳樟醇、香叶醇和α-松油醇仅在高单萜品种中检出。转录组分析获得5297个差异表达基因，发现VvDXS、VvHDR、VvHMGS和VvMVK的表达与单萜积累正相关，而VvIDI和VvHMR则呈负相关。瞬时过表达VvIDI显著降低了果实中芳樟醇和α-松油醇的含量。亚细胞定位实验表明，VvIDI蛋白N端64个氨基酸的无序区序列是引导其靶向叶绿体的关键信号，缺失该序列后蛋白转而定位至细胞核和细胞质。研究首次揭示VvIDI通过改变IPP与DMAPP的比例负调控单萜生物合成，并构建了包含MYB、bHLH等转录因子的调控网络，为葡萄香气品质的遗传改良提供了新靶点。
创新点
['首次揭示VvIDI负调控葡萄单萜生物合成，过表达VvIDI显著降低芳樟醇和α-松油醇含量。', '发现VvIDI蛋白N端64个氨基酸的无序区序列能够引导蛋白靶向叶绿体。', '构建了单萜生物合成相关基因的转录因子调控网络，预测MYB、bHLH等转录因子参与调控。']
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Vitis vinifera (葡萄品种'Shine Muscat'和'Heibaladuo') | MEP途径 | VvDXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 5个VvDXS基因在高单萜品种中高表达，正调控单萜合成 |
| Vitis vinifera | MEP途径 | VvHDR | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶 | 催化 | 在'Shine Muscat'中高表达，正调控单萜合成 |
| Vitis vinifera | MVA途径 | VvHMGS | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶 | 催化 | 3个VvHMGS基因在高单萜品种中高表达，正调控单萜合成 |
| Vitis vinifera | MVA途径 | VvMVK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | 在'Shine Muscat'中高表达，正调控单萜合成 |
| Vitis vinifera | MVA途径 | VvHMR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 在'Heibaladuo'中高表达，负调控单萜合成 |
| Vitis vinifera | MEP/MVA交叉途径 | VvIDI | 异戊烯基焦磷酸异构酶 | 催化 | 在'Heibaladuo'中高表达，过表达抑制芳樟醇和α-松油醇积累；N端64个氨基酸无序区引导叶绿体定位 |
| Vitis vinifera | 单萜生物合成 | VvTPS14 | (3S)-芳樟醇合酶 | 催化 | 在'Shine Muscat'中高表达，直接调控芳樟醇积累 |
| Vitis vinifera | 单萜生物合成 | VvTPS-CIN | 1,8-桉叶素合酶 | 催化 | 3个基因在'Heibaladuo'中高表达，可能将α-松油醇转化为下游产物 |
| Vitis vinifera | 单萜生物合成调控 | 多种转录因子（MYB、bHLH、TCP等） | 转录因子 | 调控 | 共442个差异表达转录因子，MYB家族最多；构建了包含53个转录因子和10个靶基因的调控网络 |
| Nicotiana benthamiana (本氏烟草) | 无（用于亚细胞定位验证） | VvIDI及其截短变体 | VvIDI-EGFP融合蛋白 | 区室化 | 瞬时表达验证N端64个氨基酸无序区引导VvIDI靶向叶绿体 |
关键发现
["在'Shine Muscat'和'Heibaladuo'葡萄中共鉴定出44种游离挥发性香气物质，其中单萜（芳樟醇、香叶醇、α-松油醇）仅在'Shine Muscat'中检测到。", '转录组分析共获得5297个差异表达基因（DEGs），其中2728个上调，2569个下调。', '5个VvDXS基因、1个VvHDR基因、3个VvHMGS基因和1个VvMVK基因的高表达与单萜积累正相关，而1个VvIDI基因和1个VvHMR基因的表达与单萜积累负相关。', "瞬时过表达VvIDI后，'Shine Muscat'果实中芳樟醇和α-松油醇的浓度显著低于空载体对照。", 'VvIDI蛋白的N端64个氨基酸无序区序列能够引导EGFP蛋白靶向叶绿体，缺失该序列（72或98个氨基酸缺失）则导致蛋白定位到细胞核和细胞质。', '两个葡萄品种的TSS均大于12°Brix，TA均小于10 mmol/100g，表明果实达到成熟期。']
研究结论
VvIDI通过改变IPP与DMAPP的比例负调控单萜生物合成，其N端64个氨基酸无序区是叶绿体靶向的关键信号。该研究为葡萄及葡萄制品香气品质的遗传改良提供了新靶点和理论基础。