Genome-wide identification of SrbHLH transcription factors highlights its potential role in rebaudioside A (RA) biosynthesis in Stevia rebaudiana
- 作者
- Yuping Li, Yuan Qiu, Xin Xu, Ming Luo
- 单位
- South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences; University of Chinese Academy of Sciences; Guangzhou University of Chinese Medicine
- 杂志
- BMC Plant Biology（2023）
- DOI
- 10.1186/s12870-023-04353-1
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
甜叶菊中bHLH转录因子家族尚未系统鉴定，且调控莱鲍迪苷A（RA）生物合成的分子机制不明。
研究策略
全基因组鉴定SrbHLH基因家族，通过系统进化、基因结构、染色体分布、共表达分析、qPCR、双荧光素酶报告实验和亚细胞定位筛选并验证调控RA合成的关键bHLH转录因子。
核心内容
该研究对甜叶菊bHLH转录因子家族进行了全基因组系统鉴定，并筛选出调控莱鲍迪苷A生物合成的关键成员。通过系统进化分析、基因结构解析、染色体定位及共线性分析，从甜叶菊基因组中鉴定出159个SrbHLH基因，归类为18个亚家族，其编码蛋白长度为93至661个氨基酸，分子量10.33至70.78 kDa。染色体分布显示1号染色体含40个成员而9号仅有2个，并检测到165对片段重复和263对共线性关系。共表达分析发现28个SrbHLH与RA合成结构基因显著相关，其中17个呈正相关。茉莉酸甲酯处理下14个基因差异表达。双荧光素酶报告实验证实SrbHLH22、SrbHLH111、SrbHLH126、SrbHLH142和SrbHLH152能显著激活关键糖基转移酶基因UGT76G1的启动子，亚细胞定位显示这些蛋白主要定位于细胞核。该结果首次揭示了甜叶菊中调控RA合成的候选bHLH转录因子，为甜叶菊分子育种和甜菊糖苷合成调控机制研究提供了重要理论基础。
创新点
首次在甜叶菊基因组中系统鉴定159个SrbHLH基因；发现5个SrbHLH（SrbHLH22/111/126/142/152）能转录激活UGT76G1，为RA合成调控提供候选基因。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Stevia rebaudiana | 莱鲍迪苷A (RA) 生物合成 | SrbHLH22 | SrbHLH22 | 调控 | 转录激活UGT76G1，主要定位于细胞核 |
| Stevia rebaudiana | 莱鲍迪苷A (RA) 生物合成 | SrbHLH111 | SrbHLH111 | 调控 | 转录激活UGT76G1，定位于核和细胞质 |
| Stevia rebaudiana | 莱鲍迪苷A (RA) 生物合成 | SrbHLH126 | SrbHLH126 | 调控 | 转录激活UGT76G1，主要定位于细胞核 |
| Stevia rebaudiana | 莱鲍迪苷A (RA) 生物合成 | SrbHLH142 | SrbHLH142 | 调控 | 转录激活UGT76G1，定位于核和细胞质 |
| Stevia rebaudiana | 莱鲍迪苷A (RA) 生物合成 | SrbHLH152 | SrbHLH152 | 调控 | 转录激活UGT76G1，主要定位于细胞核 |
| Stevia rebaudiana | RA生物合成（二萜骨架形成） | ent-KS | ent-Kaurene synthase | 催化 | RA生物合成结构基因 |
| Stevia rebaudiana | RA生物合成（二萜骨架形成） | ent-KO | ent-Kaurene oxidase | 催化 | RA生物合成结构基因 |
| Stevia rebaudiana | RA生物合成（二萜骨架形成） | ent-KAH | ent-Kaurenoic acid 13-hydroxylase | 催化 | RA生物合成结构基因 |
| Stevia rebaudiana | RA生物合成（糖基化） | UGT74G1 | UDP-glycosyltransferase 74G1 | 催化 | 催化steviolmonoside转化为rubososide |
| Stevia rebaudiana | RA生物合成（糖基化） | UGT85C2 | UDP-glycosyltransferase 85C2 | 催化 | RA生物合成结构基因 |
| Stevia rebaudiana | RA生物合成（糖基化） | UGT91D2 | UDP-glycosyltransferase 91D2 | 催化 | RA生物合成结构基因 |
| Stevia rebaudiana | RA生物合成（糖基化） | UGT76G1 | UDP-glycosyltransferase 76G1 | 催化 | 催化stevioside转化为RA，DLA验证靶基因 |
| Nicotiana benthamiana | 瞬时表达体系 | GFP | Green Fluorescent Protein | 区室化 | 用于亚细胞定位标记 |
| Nicotiana benthamiana | 双荧光素酶报告系统 | LUC | Firefly luciferase | 催化 | 报告基因，检测启动子活性 |
| Nicotiana benthamiana | 双荧光素酶报告系统 | REN | Renilla luciferase | 催化 | 内参报告基因 |
关键发现
- 从甜叶菊基因组鉴定出159个SrbHLH基因，分为18个亚家族
- 氨基酸长度93-661 aa，分子量10.33-70.78 kDa，理论pI 4.38-10.15
- 染色体1上分布最多（40个），染色体9最少（2个）
- 无串联重复，鉴定到165对片段重复和263对共线性关系
- 共表达分析发现28个SrbHLH与RA合成结构基因显著相关（11个负相关、17个正相关）
- MeJA处理后14个SrbHLH响应（10个上调、4个下调）
- DLA实验证明SrbHLH22、SrbHLH111、SrbHLH126、SrbHLH142和SrbHLH152显著激活UGT76G1启动子
- 亚细胞定位显示SrbHLH111/142定位于核和细胞质，SrbHLH22/126/152主要定位于细胞核。
研究结论
系统鉴定了甜叶菊bHLH家族，证实SrbHLH22、SrbHLH111、SrbHLH126、SrbHLH142和SrbHLH152是RA生物合成的关键调控因子，为甜叶菊分子育种和SG合成调控机制研究奠定基础。