AgMYB5, an MYB transcription factor from celery, enhanced β-carotene synthesis and promoted drought tolerance in transgenic Arabidopsis
- 作者
- Miao Sun, Qin-Yi Xu, Zhi-Peng Zhu, Pei-Zhuo Liu, Jian-Xiang Yu, Yao-Xian Guo, Shu Tang, Zhi-Fang Yu, Ai-Sheng Xiong
- 单位
- College of Marine and Biological Engineering, Yancheng Teachers University, Yancheng 224002, Jiangsu, China; State Key Laboratory of Crop Genetics and Germplasm Enhancement, College of Horticulture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, Jiangsu, China; College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Jiangsu 210095, China
- 杂志
- BMC Plant Biology（2023）
- DOI
- 10.1186/s12870-023-04157-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
全球变暖导致的水分短缺严重影响蔬菜作物产量和品质；芹菜中β-胡萝卜素丰富，但其MYB转录因子在类胡萝卜素代谢和干旱响应中的调控机制尚不清楚。
研究策略
从芹菜品种‘金南十芹’中克隆AgMYB5基因，通过生物信息学分析、酵母双杂交验证转录激活活性，并将其异源表达于拟南芥，通过生理生化指标和基因表达分析研究其对β-胡萝卜素合成和干旱耐受性的影响。
核心内容
本研究从芹菜品种‘金南十芹’中克隆了MYB转录因子基因AgMYB5，其开放阅读框长588 bp，编码196个氨基酸。通过酵母双杂交验证其具有转录激活活性后，将AgMYB5异源表达于拟南芥，结合生理生化指标与基因表达分析，探究其对β-胡萝卜素合成及干旱耐受性的调控作用。结果显示，干旱处理24小时时，AgMYB5在芹菜根中的表达较6小时上调58.51倍；芹菜发育过程中总类胡萝卜素含量从0.052 mg/g升至0.625 mg/g，β-胡萝卜素从0.42 mg/g增至0.51 mg/g，AgMYB5表达量同步增加。转基因拟南芥OE4株系在干旱下根长和鲜重较野生型分别增加30.06%和48.85%，存活率最高提升2.66倍，气孔开度显著减小。机制上，AgMYB5通过上调AtCRTISO和AtLCYB促进β-胡萝卜素积累，进而激活ABA合成（干旱下OE1和OE4内源ABA含量分别增加3.05倍和2.91倍），并增强SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性，降低MDA和H2O2含量，同时上调AtERD1、AtP5CS1等干旱响应基因。该研究首次功能表征了芹菜中的AgMYB5，揭示其通过协同调控类胡萝卜素代谢与ABA信号通路增强植物抗旱性的分子机制，为蔬菜抗逆遗传改良提供了新靶点。
创新点
首次从芹菜中鉴定并功能表征转录因子AgMYB5；证明其通过上调AtCRTISO和AtLCYB促进β-胡萝卜素合成，继而激活ABA合成和抗氧化系统，协同提高干旱耐受性。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 芹菜 (Apium graveolens L. cv. 'Jinnanshiqin') | 类胡萝卜素生物合成 | AgMYB5 | AgMYB5 | 调控 | 内源表达分析，受干旱诱导 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana 'Columbia-0') | 类胡萝卜素生物合成 | AgMYB5 | AgMYB5 | 调控 | 异源表达，促进β-胡萝卜素积累 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana 'Columbia-0') | 类胡萝卜素生物合成 | AtCRTISO | CRTISO | 催化 | 类胡萝卜素异构酶，受AgMYB5上调 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana 'Columbia-0') | 类胡萝卜素生物合成 | AtLCYB | LCYB | 催化 | 番茄红素β-环化酶，受AgMYB5上调 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana 'Columbia-0') | 类胡萝卜素生物合成 | AtPDS3 | PDS3 | 催化 | 八氢番茄红素脱饱和酶，表达无显著变化 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana 'Columbia-0') | 类胡萝卜素生物合成 | AtZDS | ZDS | 催化 | ζ-胡萝卜素脱饱和酶，表达无显著变化 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana 'Columbia-0') | ABA生物合成 | AtABA1 | ABA1 | 催化 | 玉米黄质环氧酶，干旱下上调 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana 'Columbia-0') | ABA生物合成 | AtNCED6 | NCED6 | 催化 | 9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶，限速酶，OE4中表达为WT的2.71倍 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana 'Columbia-0') | ABA生物合成 | AtABA2 | ABA2 | 催化 | 短链脱氢酶/还原酶，干旱下上调 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana 'Columbia-0') | ABA生物合成 | AtAAO3 | AAO3 | 催化 | 脱落醛氧化酶，干旱下上调 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana 'Columbia-0') | 干旱胁迫响应 | AtERD1 | ERD1 | 调控 | 早期响应脱水蛋白，OE4中表达为WT的2.11倍 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana 'Columbia-0') | 干旱胁迫响应 | AtP5CS1 | P5CS1 | 催化 | Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶，脯氨酸合成 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana 'Columbia-0') | 干旱胁迫响应 | AtRD22 | RD22 | 调控 | 脱水响应蛋白22，受AgMYB5上调 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana 'Columbia-0') | 干旱胁迫响应 | AtRD29 | RD29 | 调控 | 脱水响应蛋白29，受AgMYB5上调 |
关键发现
- AgMYB5 ORF长588 bp，编码196个氨基酸，预测分子量22.65 kDa，pI 10.44
- 与CsMYB5相似性最高(32.58%)。干旱处理24 h较6 h时，AgMYB5在叶、叶柄、根中表达分别上调4.97、5.56、58.51倍。芹菜发育过程中总类胡萝卜素从S1(0.052 mg/g)增至S3(0.625 mg/g)，β-胡萝卜素从0.42 mg/g增至0.51 mg/g，AgMYB5表达量分别增加4.17倍(S2)和10.33倍(S3)。转基因拟南芥OE4在干旱胁迫下β-胡萝卜素显著积累
- 干旱下OE4根长和鲜重较WT增加30.06%和48.85%
- 存活率OE1和OE4分别提高2.03倍和2.66倍
- 气孔开度OE4为0.74 μm，OE1为1.12 μm，WT为1.44 μm。干旱下OE1和OE4内源ABA含量分别增加3.05倍和2.91倍，WT仅增加1.61倍
- AtNCED6在OE4中表达为WT的2.71倍。SOD、POD、CAT活性分别最高增加169.57%、62.16%、116.11%
- MDA、H2O2含量和O2-生成速率分别最高降低34.21%、36.27%、31.58%
- AtERD1在OE4中表达为WT的2.11倍。
研究结论
AgMYB5通过上调β-胡萝卜素合成基因(AtCRTISO、AtLCYB)促进β-胡萝卜素积累，增强ROS清除和抗氧化酶活性，同时促进ABA合成，诱导气孔关闭减少水分损失，并上调干旱响应基因(AtERD1、AtP5CS1、AtRD22、AtRD29)，从而增强拟南芥的干旱耐受性，表明AgMYB5在植物β-胡萝卜素代谢和抗旱调控中具有重要作用。