Functional identification of BpMYB21 and BpMYB61 transcription factors responding to MeJA and SA in birch triterpenoid synthesis
- 作者
- Jing Yin, Lu Sun, Ying Li, Jialei Xiao, Siyao Wang, Jie Yang, Ziyue Qu, Yaguang Zhan
- 单位
- Key Laboratory of Saline-alkali Vegetation Ecology Restoration, Ministry of Education (Northeast Forestry University), Harbin 150040, China; College of Life Science, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China; State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China; College of Life Science, Northeast Agriculture University, Harbin 150010, China
- 杂志
- BMC Plant Biology（2020）
- DOI
- 10.1186/s12870-020-02521-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
桦木三萜合成途径复杂，受多基因调控，需要鉴定响应MeJA和SA的MYB转录因子及其在三萜生物合成中的调控作用。
研究策略
从桦木转录组中克隆BpMYB21和BpMYB61基因，进行序列与启动子分析、组织时空表达与激素响应分析、亚细胞定位，利用转基因酵母和转基因桦木过表达验证其对三萜合成的影响，并通过酵母单杂交验证其与下游靶基因启动子的结合。
核心内容
该研究从白桦转录组中克隆并功能鉴定了两个响应茉莉酸甲酯和水杨酸的R2R3-MYB转录因子BpMYB21和BpMYB61。序列分析显示两者分别编码337和400个氨基酸，启动子长度分别为1302 bp和850 bp。通过转基因酵母和转基因桦木过表达实验，证实BpMYB21正调控、BpMYB61负调控三萜合成。在酵母中，共表达BpMYB21与角鲨烯合酶的菌株角鲨烯含量达0.155 mg/g，较空载体提高89%；总三萜含量为58.333 mg/g，提高20%。转基因桦木MYB21-44中，HMGR和FPS表达分别上调28.24倍和22.44倍，桦木酸、齐墩果酸和白桦脂醇含量分别提高65%、21%和92%；而MYB61-5中白桦脂醇含量降低92%。酵母单杂交表明两个转录因子均可与SE和BPX启动子中的MBS元件结合，其中BpMYB61结合更强。该研究揭示了BpMYB21和BpMYB61作为关键调控因子在三萜生物合成中的正负调控作用，为植物三萜代谢工程提供了新的靶点。
创新点
首次从白桦中克隆并功能鉴定两个响应MeJA和SA的R2R3-MYB转录因子BpMYB21和BpMYB61，证明BpMYB21正调控、BpMYB61负调控桦木三萜合成，且二者能结合SE和BPX基因启动子中的MBS元件。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Betula platyphylla | 三萜生物合成（MVA途径） | BpMYB21 | BpMYB21 (R2R3-MYB转录因子) | 调控 | 正调控三萜合成，响应MeJA和SA，定位于细胞核。 |
| Betula platyphylla | 三萜生物合成（MVA途径） | BpMYB61 | BpMYB61 (R2R3-MYB转录因子) | 调控 | 负调控三萜合成，响应MeJA和SA，定位于细胞膜和细胞核。 |
| Betula platyphylla | 三萜生物合成（MVA途径） | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | MVA途径限速酶，受BpMYB21正调控、BpMYB61负调控。 |
| Betula platyphylla | 三萜生物合成（MVA途径） | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化法尼基焦磷酸合成，受BpMYB21上调、BpMYB61上调。 |
| Betula platyphylla | 三萜生物合成（MVA途径） | SS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 催化角鲨烯合成，受BpMYB21上调、BpMYB61上调。 |
| Betula platyphylla | 三萜生物合成 | SE | 角鲨烯环氧酶 | 催化 | 催化角鲨烯环氧化，受BpMYB21轻微下调、BpMYB61下调，启动子含MBS元件并被BpMYB21/BpMYB61结合。 |
| Betula platyphylla | 三萜生物合成 | BPW | 羽扇醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化角鲨烯生成羽扇醇，受BpMYB21上调、BpMYB61下调。 |
| Betula platyphylla | 三萜生物合成 | BPY | β-香树脂醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化角鲨烯生成β-香树脂醇，受BpMYB21上调、BpMYB61下调。 |
| Betula platyphylla | 三萜生物合成 | BPX | 环阿屯醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化角鲨烯生成环阿屯醇，其启动子含MBS元件并被BpMYB21/BpMYB61结合。 |
| Saccharomyces cerevisiae (INVSc1) | 三萜生物合成 | BpMYB21 | BpMYB21 | 调控 | 在酵母中与SS共表达提高角鲨烯和总三萜含量，可能通过GAL1启动子中的MYB调控元件调节SS/SE表达。 |
| Saccharomyces cerevisiae (INVSc1) | 三萜生物合成 | BpMYB61 | BpMYB61 | 调控 | 在酵母中过表达提高角鲨烯和总三萜含量，作用较BpMYB21弱。 |
关键发现
- BpMYB21 cDNA全长1117 bp，ORF 1014 bp编码337个氨基酸
- BpMYB61 cDNA全长1203 bp，ORF 1203 bp编码400个氨基酸。BpMYB21和BpMYB61启动子分别为1302 bp和850 bp。BpMYB61在GA处理6 h后表达升高3.82倍，乙烯利处理12 h后升高6.42倍。酵母中，INVSc1-pYES-MYB21-SS菌株角鲨烯含量为0.155 mg/g，较空载体对照提高89%，较INVSc1-pYES2-SS提高20%，较INVSc1-pYES3-MYB21提高9%
- INVSc1-pYES3-MYB61菌株角鲨烯含量为0.146 mg/g，较空载体提高78%，较INVSc1-pYES2-SS提高13%。总三萜含量方面，INVSc1-pYES-MYB21-SS为58.333 mg/g，较空载体提高20%，较SS对照提高10%
- INVSc1-pYES3-MYB21较空载体提高21%
- INVSc1-pYES3-MYB61为59.625 mg/g，较空载体提高23%，较SS对照提高13%。转基因桦木MYB21-44中，SS、BPW、BPY、FPS和HMGR表达分别上调4.27、2.61、10.59、22.44和28.24倍，SE表达为野生型的79%
- MYB61-5中SS和FPS分别上调13%和35%，HMGR、BPW、SE和BPY分别下调84%、68%、52%和16%。MYB21-44转基因愈伤组织中桦木酸、齐墩果酸和白桦脂醇含量分别提高65%、21%和92%
- MYB61-5中桦木酸提高59%，齐墩果酸和白桦脂醇分别降低23%和92%。酵母单杂交显示BpMYB61与SE和BPX启动子MBS元件存在强相互作用，BpMYB21为弱相互作用。
研究结论
BpMYB21和BpMYB61是桦木三萜生物合成的关键调控因子，BpMYB21正调控、BpMYB61负调控三萜合成，二者通过结合靶基因启动子MBS元件发挥作用，在植物三萜生产中具有应用潜力。