Identification, cloning and characterization of an ultrapetala transcription factor CsULT1 from Crocus: a novel regulator of apocarotenoid biosynthesis
- 作者
- Nasheeman Ashraf, Deepti Jain, Ram A Vishwakarma
- 单位
- Plant Biotechnology Division, CSIR-Indian Institute of Integrative Medicine, Sanat Nagar, Srinagar J&K-190005, India; National Institute of Plant Genome Research, Aruna Asaf Ali Marg, New Delhi 110067, India; Medicinal Chemistry Division, CSIR-Indian Institute of Integrative Medicine, Canal Road, Jammu J&K 180001, India
- 杂志
- BMC Plant Biology（2015）
- DOI
- 10.1186/s12870-015-0423-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
藏红花中脱辅基类胡萝卜素（如藏花素、苦藏花素和藏花醛）的生物合成途径已被广泛研究，但调控其组织特异性和发育阶段特异性表达的机制尚不清楚。
研究策略
结合转录本和代谢物谱分析，从藏红花EST数据库筛选候选转录因子，克隆并表征CsULT1，通过亚细胞定位、转录激活分析和瞬时过表达研究其功能，并检测其对途径基因表达的影响。
核心内容
该研究从藏红花中首次克隆并鉴定了一个含SAND结构域的ULT基因CsULT1，探讨其作为脱辅基类胡萝卜素生物合成调控因子的功能。CsULT1开放阅读框长708 bp，编码235个氨基酸，预测分子量26.5 kD，定位于细胞核并具有转录激活活性。表达分析显示CsULT1在柱头中高表达，且随花发育进程先升后降，与藏花素积累模式一致。激素处理实验表明，2,4-D、茉莉酸甲酯和水杨酸可分别诱导CsULT1表达175倍、150倍和122倍。在藏红花愈伤组织中瞬时过表达CsULT1，其表达水平较对照提高2.5倍，同时显著上调PSY、PDS、BCH、CsCCD4b和CsCCD2等途径关键基因，其中CsCCD4b上调约4倍、CsCCD2上调约5倍。结果表明CsULT1是通过激活类胡萝卜素和脱辅基类胡萝卜素合成途径关键基因来促进藏花素等代谢物积累的新型调控因子，其功能可能受多种植物激素介导。该发现首次将植物SAND结构域蛋白与次生代谢调控联系起来，为藏红花品质改良提供了新的分子靶点。
创新点
首次从藏红花中分离和表征ULT基因；首次证明植物SAND结构域蛋白参与调控次生代谢途径（脱辅基类胡萝卜素生物合成）。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Crocus sativus (藏红花) | 类胡萝卜素/脱辅基类胡萝卜素生物合成 | CsULT1 | CsULT1 | 调控 | 转录因子，含SAND结构域，调控途径基因表达 |
| Crocus sativus (藏红花) | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | Phytoene synthase | 催化 | 催化类胡萝卜素生物合成的第一个限速步骤 |
| Crocus sativus (藏红花) | 类胡萝卜素生物合成 | PDS | Phytoene desaturase | 催化 | 催化类胡萝卜素合成中的脱氢反应 |
| Crocus sativus (藏红花) | 类胡萝卜素生物合成 | BCH | Beta-carotene hydroxylase | 催化 | 催化β-胡萝卜素转化为玉米黄质 |
| Crocus sativus (藏红花) | 脱辅基类胡萝卜素生物合成 | CsCCD2 | Carotenoid cleavage dioxygenase 2 | 催化 | 催化玉米黄质7,8/7'8'位双键氧化裂解，藏花素生物合成的第一步 |
| Crocus sativus (藏红花) | 脱辅基类胡萝卜素生物合成 | CsCCD4b | Carotenoid cleavage dioxygenase 4b | 催化 | 催化β-胡萝卜素9,10/9'10'位裂解，产生β-紫罗兰酮等脱辅基类胡萝卜素 |
关键发现
CsULT1基因ORF为708 bp，编码235个氨基酸，预测分子量26.5 kD，pI 8.32，含有保守的SAND结构域。CsULT1在柱头中高表达，表达从花前期到开花期逐渐升高，开花后下降，与藏花素积累模式一致。CsULT1-GFP融合蛋白定位于细胞核。转录激活实验证明CsULT1具有转录激活活性。激素处理表明，2,4-D处理12小时诱导CsULT1表达175倍，茉莉酸甲酯（JA）处理12小时诱导约150倍，水杨酸（SA）处理24小时诱导122倍，而ABA处理变化不显著。在藏红花愈伤组织中瞬时过表达CsULT1，其表达水平比空载体对照高2.5倍，同时使PSY、PDS、BCH、CsCCD4b和CsCCD2基因表达上调，其中CsCCD4b上调约4倍，CsCCD2上调约5倍。SA、JA和2,4-D处理也能诱导这些途径基因的表达。
研究结论
CsULT1是藏红花脱辅基类胡萝卜素生物合成的新型调控因子，通过上调关键途径基因（如PSY、PDS、BCH和CCD）的表达来促进脱辅基类胡萝卜素的合成，且这种调控可能受植物激素（如JA、SA和生长素）介导。