The transcription factor LaMYC4 from lavender regulates volatile Terpenoid biosynthesis
- 作者
- Yanmei Dong, Wenying Zhang, Jingrui Li, Di Wang, Hongtong Bai, Hui Li, Lei Shi
- 单位
- Key Laboratory of Plant Resources and Beijing Botanical Garden, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Xiangshan, Beijing 100093, China; University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100015, China
- 杂志
- BMC Plant Biology（2022）
- DOI
- 10.1186/s12870-022-03660-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
薰衣草中调控挥发性萜类生物合成的转录因子尚未明确，尤其是MYC类bHLH转录因子在萜类代谢与胁迫响应中的功能未知。
研究策略
基于RNA-Seq和RT-qPCR筛选MeJA处理下差异表达的bHLH转录因子LaMYC4，克隆并分析其序列、启动子、亚细胞定位和转录激活活性，通过在拟南芥和烟草中过表达验证其对萜类合成及腺毛发育的调控作用。
核心内容
该研究从薰衣草品种‘Jingxun 2’中克隆并功能表征了一个受茉莉酸甲酯（MeJA）诱导的MYC类bHLH转录因子LaMYC4。通过RNA-Seq和RT-qPCR筛选出该基因，其开放阅读框长1422 bp，编码473个氨基酸。实验证实LaMYC4定位于细胞核且具有转录激活活性，并在UV、冷、干旱、MeJA及丁香假单胞菌处理下表达上调3至6倍，NaCl处理则下调3倍。在拟南芥中过表达LaMYC4使倍半萜总含量增加0.5至1.0倍，石竹烯释放量提高超过2倍，并显著上调石竹烯合酶基因At5g23960。在烟草中过表达后，总挥发物和倍半萜含量分别增加1至2倍和2至3倍，石竹烯含量约为对照的5倍，同时HMGR、FPPS、DXS、DXR和GPPS等萜类合成关键基因表达上调1.3至3.8倍。此外，转基因烟草茎部腺毛数量增加0.4倍，表皮细胞长度增加0.3倍。该研究首次证明LaMYC4通过激活萜类合成途径并促进腺毛发育正向调控挥发性倍半萜积累，同时参与多种非生物和生物胁迫响应，为薰衣草香气品质的分子育种提供了重要候选基因。
创新点
首次从薰衣草中克隆并功能表征LaMYC4转录因子，证明其参与萜类生物合成和多种胁迫响应，并发现其促进转基因烟草腺毛数量和体积增加。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Lavandula angustifolia 'Jingxun 2' | 萜类生物合成 | LaMYC4 | LaMYC4 | 调控 | bHLH转录因子，响应MeJA、UV、冷、干旱、Pst DC3000等胁迫，表达于叶片较高 |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | 倍半萜生物合成 | LaMYC4 | LaMYC4 | 调控 | 过表达使倍半萜含量增加0.5-1.0倍，石竹烯释放量>2倍 |
| Nicotiana tabacum | 萜类生物合成 | LaMYC4 | LaMYC4 | 调控 | 过表达使总挥发物增加1-2倍、倍半萜增加2-3倍，石竹烯约5倍 |
| Nicotiana benthamiana | 萜类生物合成 | LaMYC4 | LaMYC4 | 调控 | 亚细胞定位显示定位于细胞核 |
| Saccharomyces cerevisiae AH109 | —— | LaMYC4 | LaMYC4 | 调控 | 酵母转录激活活性检测，具有转录激活功能 |
| Nicotiana tabacum | MVA途径 | HMGR | HMGR | 催化 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶，表达上调1.3-3.8倍 |
| Nicotiana tabacum | MVA途径 | FPPS | FPPS | 催化 | 法尼基焦磷酸合酶，表达上调1.3-3.8倍 |
| Nicotiana tabacum | MEP途径 | DXS | DXS | 催化 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶，表达上调1.3-3.8倍 |
| Nicotiana tabacum | MEP途径 | DXR | DXR | 催化 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶，表达上调且与LaMYC4表达强相关 |
| Nicotiana tabacum | 萜类生物合成 | GPPS | GPPS | 催化 | 香叶基焦磷酸合酶，表达上调1.3-3.8倍 |
| Arabidopsis thaliana | 倍半萜生物合成 | At5g23960 | 石竹烯合酶 | 催化 | 在LaMYC4过表达拟南芥中表达显著增加 |
| Nicotiana tabacum | 二萜生物合成 | NtCPS2, NtABS | 二萜合酶 | 催化 | 在LaMYC4过表达株系#5中表达显著下降 |
| Nicotiana tabacum | 倍半萜生物合成 | NtCBTS | 石竹烯合酶 | 催化 | 在LaMYC4过表达株系#3和#5中表达显著增加 |
关键发现
- MeJA（8 mM）处理显著增加薰衣草叶片和萼片中β-月桂烯、β-顺式罗勒烯和石竹烯等挥发物释放
- LaMYC4的ORF长1422 bp，编码473个氨基酸，蛋白分子量为52.24 kDa，等电点为5.75
- 在UV、冷、干旱、MeJA和Pst DC3000处理下表达分别上调约4、3、6、5、6倍，NaCl处理下调3倍
- 拟南芥过表达株系中倍半萜总含量增加0.5–1.0倍，石竹烯释放量提高>2倍，At5g23960（石竹烯合酶）表达显著升高
- 烟草过表达株系中总挥发物和倍半萜含量分别增加1–2倍和2–3倍，石竹烯含量约为空载体对照的5倍
- HMGR、FPPS、DXS、DXR、GPPS表达上调1.3–3.8倍
- 转基因烟草茎部腺毛数量比对照多0.4倍，茎表皮细胞长度增加0.3倍。
研究结论
薰衣草转录因子LaMYC4通过激活萜类合成关键基因（HMGR、FPPS、DXS、DXR、GPPS）并促进腺毛形成，正向调控挥发性倍半萜（尤其石竹烯）的生物合成，同时参与多种胁迫响应，可作为薰衣草分子育种的候选基因。