PatWRKY71 transcription factor regulates patchouloi biosynthesis and plant defense response
- 作者
- Jian Li, Huan-Chao Huang, Yue-Qiu Zuo, Ming-Yong Zhang, Meng-Ling He, Kuai-Fei Xia
- 杂志
- BMC Plant Biology（2024）
- DOI
- 10.1186/s12870-023-04660-7
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
广藿香醇生物合成的转录调控机制尚不清楚，且水杨酸（SA）是否调控广藿香醇生物合成未有研究。
研究策略
利用SA处理广藿香植株，结合转录组分析筛选差异表达转录因子PatWRKY71；通过Y1H和双荧光素酶实验验证其与PatPTS启动子结合并激活表达；采用VIGS沉默验证其对广藿香醇合成的作用；通过异源表达研究其在拟南芥盐和镉胁迫响应中的功能。
核心内容
该研究以广藿香为材料，探究了水杨酸（SA）对广藿香醇生物合成的转录调控机制。通过SA处理结合转录组分析，筛选到受SA显著诱导的差异表达转录因子PatWRKY71。酵母单杂交和双荧光素酶实验证实PatWRKY71定位于细胞核，可结合广藿香醇合酶基因PatPTS的启动子并增强其转录活性。VIGS沉默PatWRKY71后，PatPTS表达和广藿香醇含量均显著下降，表明该转录因子正向调控广藿香醇合成。50 μM SA处理可显著提高广藿香醇产量，转录组鉴定出847个差异表达基因。此外，在拟南芥中异源表达PatWRKY71增强了对100 μM NaCl和25 μM CdCl2的敏感性，引发ROS爆发并上调多个胁迫相关基因，显示其负调控植物对盐和镉胁迫的抗性。该研究首次揭示SA通过PatWRKY71激活PatPTS转录促进广藿香醇生物合成，同时发现该转录因子在次生代谢与逆境防御中发挥双重调控作用，为通过基因工程改良广藿香产量和抗逆性提供了理论依据。
创新点
首次揭示SA通过转录因子PatWRKY71正调控广藿香醇生物合成；发现PatWRKY71同时参与广藿香醇合成与植物逆境防御响应，具有双重调控功能。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Pogostemon cablin | 倍半萜生物合成（MVA途径） | PatPTS | 广藿香醇合酶（patchouloi synthase） | 催化 | 催化FPP转化为广藿香醇，是限速酶，受PatWRKY71正调控 |
| Pogostemon cablin | 倍半萜生物合成 | PatWRKY71 | WRKY71转录因子 | 调控 | 受SA诱导表达上调，结合PatPTS启动子中的W-box并激活其转录 |
| Nicotiana benthamiana | 转录调控报告系统 | PatWRKY71, PatPTS promoter:LUC | PatWRKY71转录因子 | 调控 | 双荧光素酶实验证明PatWRKY71激活PatPTS启动子的转录活性 |
| Arabidopsis thaliana | 植物防御响应（盐/镉胁迫） | PatWRKY71（异源表达） | PatWRKY71转录因子 | 调控 | 异源表达增加盐和镉敏感性，诱导ROS及胁迫相关基因上调 |
关键发现
- 50 μM SA处理显著提高广藿香醇产量
- 转录组分析共鉴定847个差异表达基因（434个上调、413个下调），其中萜类合成相关基因13个下调、3个上调
- SA诱导PatWRKY71表达显著上升，PatWRKY71定位于细胞核，能结合PatPTS启动子并增强其转录活性
- VIGS沉默PatWRKY71后，PatWRKY71和PatPTS表达均显著下降，广藿香醇含量显著降低
- 在拟南芥中异源表达PatWRKY71增强了对100 μM NaCl和25 μM CdCl2的敏感性，并引起ROS爆发，使AtRAB18、AtNCED3、AtRbohD、AtAPX1、AtPEROX、AtPRX34等胁迫相关基因表达上调。
研究结论
SA通过诱导PatWRKY71表达，PatWRKY71结合并激活PatPTS启动子，从而促进广藿香醇生物合成；同时PatWRKY71负调控植物对盐和镉胁迫的抗性，加剧ROS积累。该研究为通过基因工程提高广藿香醇含量和增强广藿香抗逆性提供了理论基础。