Three endoplasmic reticulum-associated fatty acyl-coenzyme a reductases were involved in the production of primary alcohols in hexaploid wheat (Triticum aestivum L.)
- 作者
- Guaiqiang Chai, Chunlian Li, Feng Xu, Yang Li, Xue Shi, Yong Wang, Zhonghua Wang
- 单位
- State Key Laboratory of Crop Stress Biology for Arid Areas, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China; College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China
- 杂志
- BMC Plant Biology（2018）
- DOI
- 10.1186/s12870-018-1256-y
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
六倍体小麦叶片角质层蜡质中初级醇占总蜡质80%以上，但参与其生物合成的脂肪酸酰基辅酶A还原酶（FAR）基因尚未完全鉴定。本研究旨在克隆并表征三个新的小麦TaFAR基因，验证其在初级醇合成及环境胁迫响应中的功能。
研究策略
通过同源克隆获得TaFAR6、TaFAR7和TaFAR8基因；利用酿酒酵母异源表达验证其酶活性；在番茄和水稻中过表达以分析体内功能；通过GFP融合蛋白在烟草表皮细胞中检测亚细胞定位；利用qRT-PCR分析基因在不同组织及多种胁迫条件下的表达模式。
核心内容
六倍体小麦叶片角质层蜡质中初级醇占比超过80%，但其合成的关键脂肪酸酰基辅酶A还原酶基因尚未完全解析。本研究从六倍体小麦中克隆了三个新的FAR基因TaFAR6、TaFAR7和TaFAR8，通过GFP融合蛋白在烟草表皮细胞中证实其定位于内质网。酵母异源表达显示三者均能催化产生C24:0和C26:0初级醇。在番茄中过表达后，总初级醇含量由对照的20.62 μg/dm²分别提升至52.15（TaFAR6-2）、77.20（TaFAR7-1）和84.10（TaFAR8-1）μg/dm²，叶片蜡质总量增加1.8至3倍，且C24至C32各链长初级醇均有不同程度增加；水稻过表达TaFAR6后叶片C24:0-OH提升4.2倍。表达分析表明三基因受干旱、冷、热、白粉病、ABA和MeJA等多重胁迫诱导，但响应时相各异。结果表明这三个内质网定位的FAR参与小麦长链初级醇合成并受激素及逆境信号调控，为小麦抗逆遗传改良提供了候选基因资源。
创新点
首次从六倍体小麦中克隆并鉴定三个新的FAR基因（TaFAR6/7/8），证实其编码内质网定位的酶并参与C24-C32初级醇合成；揭示它们受干旱、冷、热、白粉病、ABA和MeJA等多重胁迫诱导，为小麦抗逆育种提供了候选基因。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 角质层蜡质生物合成-酰基还原途径 | TaFAR6, TaFAR7, TaFAR8 | TaFAR6, TaFAR7, TaFAR8 | 催化 | 异源表达产生C24:0和C26:0初级醇 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. MicroTom) | 角质层蜡质生物合成-酰基还原途径 | TaFAR6, TaFAR7, TaFAR8 | TaFAR6, TaFAR7, TaFAR8 | 催化 | 过表达后果实和叶片中C24-C32初级醇含量显著增加，叶片蜡质总量增加2-3倍 |
| 水稻 (Oryza sativa cv. Zhonghua11) | 角质层蜡质生物合成-酰基还原途径 | TaFAR6, TaFAR7, TaFAR8 | TaFAR6, TaFAR7, TaFAR8 | 催化 | 过表达后叶片和鞘中C24-C32初级醇积累增加，其中C24:0-OH最高增加4.2倍 |
| 烟草 (Nicotiana benthamiana) | 角质层蜡质生物合成（亚细胞定位研究） | TaFAR6, TaFAR7, TaFAR8 | TaFAR6-GFP, TaFAR7-GFP, TaFAR8-GFP | 催化 | 瞬时表达显示三种蛋白均定位于内质网（ER） |
关键发现
- 小麦叶片蜡质中初级醇占总蜡质超过80%，其中C28初级醇为主要成分。三个TaFAR基因在酵母中异源表达均产生C24:0和C26:0初级醇。在番茄果实中，总初级醇含量从对照的20.62 μg/dm²增加至52.15（TaFAR6-2）、77.20（TaFAR7-1）和84.10（TaFAR8-1）μg/dm²
- 叶片蜡质总量分别增加2倍、1.8倍和3倍。在TaFAR7-1果实中，C24、C26、C28、C30和C32初级醇分别增加3.5、2.0、1.7、1.2和0.8倍
- 在TaFAR8-1果实中，C24、C26、C28和C30分别增加3.5、2.5、2.4和2.7倍。水稻过表达TaFAR6-14中，C24:0-OH、C26:0-OH、C28:0-OH和C30:0-OH分别增加4.2、1.8、0.4和0.3倍
- 鞘蜡中C28、C30、C32初级醇增加0.5-1倍。表达分析显示，脱水处理下TaFAR6/8在1h、TaFAR7在2h达峰
- ABA处理下TaFAR7/8在4h、TaFAR6在6h达峰
- 冷胁迫下TaFAR6在1h、TaFAR8在6h、TaFAR7在24h达峰
- 热胁迫下TaFAR6在1h、TaFAR8在6h、TaFAR7在12h达峰
- MeJA处理下TaFAR6/8在1h达峰，TaFAR7在12h达峰。
研究结论
TaFAR6、TaFAR7和TaFAR8编码内质网定位的脂肪酸酰基辅酶A还原酶，参与六倍体小麦角质层蜡质中长链初级醇的生物合成，并响应干旱、冷、热、白粉病等多种胁迫，其表达受ABA和MeJA信号调控，是小麦抗逆遗传改良的潜在靶基因。