植物活體成像在蘋果中二氫查爾酮糖苷生物合成機制研究中的應用

《The Plant Journal》
IF=7.2、一區(qū)top期刊
 

近日，西北農林科技大學園藝園林李鵬民團隊在蘋果中二氫查爾酮( DHC)糖苷生物合成機制研究中，取得了新進展，相關研究成果已經發(fā)表在國際權威期刊《The Plant Journal》（IF=7.2、一區(qū)top期刊）上。

二氫查爾酮( DHCs )是一類不常見的黃酮類化合物。二氫查耳酮( DHCs )包括根皮苷(根皮素-20'-O-葡萄糖苷)及其位置異構體三葉苷(根皮素-40'-O-葡萄糖苷)，作為人體生理研究的工具和藥物，特別是在2型糖尿病治療中的應用，引起了科學界的廣泛關注。迄今為止，已在菊科、豆科、薔薇科、蕓香科等40多個植物科中鑒定出200多種DHCs。在這些植物中，蘋果中的DHCs以其高含量和豐富多樣性，使其成為研究DHCs化合物的生物合成和調控的優(yōu)良模型植物。

有研究通過對轉基因蘋果植株的分析，發(fā)現(xiàn)2個糖基轉移酶基因( PGT1和PGT2)參與了植物中二氫查爾酮( DHC)糖苷的生物合成。迄今為止，PGT1和PGT2的轉錄調控尚不清楚。在蘋果中調控苯丙素和花青素生物合成的轉錄因子( TFs )如MYB10，卻并不調控二氫查爾酮( DHC)糖苷合成。在蘋果中，DHCs的生物學功能尚不完全清楚，其在生長素運輸抑制、化感作用和生長調節(jié)中的作用已被證實。迄今為止，還沒有關于不含DHCs的蘋果屬物種的報道，這表明DHCs在蘋果的適應性或存活中起著未知但重要的作用，而這方面的研究卻較少。

這里，該研究對不同基因型蘋果二氫查爾酮( DHC)糖苷的遺傳基礎進行了研究。在蘋果組織中鑒定出兩個決定DHCs合成模式的轉錄調控因子( TFs )。同時DHCs在蘋果存活中的重要作用也得到了證實。

該研究通過雜交群體分離和混合分離分析表明，蘋果葉片中根皮苷和三葉苷的合成均為單基因控制的性狀。參與二氫查爾酮( DHC)糖苷合成的兩個糖基轉移酶基因PGT1和PGT2的啟動子序列被證明可以區(qū)分具有不同二氫查爾酮( DHC)糖苷合成模式。

模式1：在葉、花、果實、胚、種皮和莖中，轉錄調控因子PRR2L調控PGT1和PGT2的轉錄以及根皮苷( P )和根皮苷( T )的產生。PGT1啟動子在起始密碼子上游160、354、365、536和627 bp處缺失~ 3500 bp的MYB結合位點，PGT2啟動子在起始密碼子上游303 bp處突變MYB結合位點，導致基因表達和產物合成受阻；

模式2：在根和莖中，PGT1的轉錄和根皮苷的產生受MYB8L通過啟動子中起始密碼子上游24 bp處的結合位點調控。MYB8L不調控PGT2的表達。對于基因型A * B * ( AABB、Aa BB、AABb、Aa Bb)，根皮苷和三葉苷均被合成；對于A * bb ( AAbb、Aabb)基因型，僅合成根皮苷；對于aaB * ( aABB , aaBb)基因型，合成三葉苷；而對于aabb的基因型，沒有合成二氫查酮（二氫查耳酮可能通過與生長素的相互作用影響胚胎發(fā)育）。
 

▲蘋果屬植物二氫查爾酮糖苷合成的遺傳調控模型

為了證實不同基因型蘋果植株中PGT1和PGT2啟動子活性差異。作者使用博鷺騰PlantView系列植物活體成像系統(tǒng)， 拍攝了GFP -啟動子融合的轉基因蘋果的葉片和根。Md PGT1pro：：GFP和Mt PGT1pro：：GFP在根中都有較強的GFP信號，而Mt PGT2.3pro：：GFP和Md PGT2.1pro：：GFP在轉基因蘋果根中沒有觀察到信號。說明了PGT1和PGT2的表達與根中不同的二氫查爾酮( DHC)糖苷合成模式相關，PGT1高表達，PGT2低表達。PGT1或PGT2的等位基因在根中的表達水平相似。

▲ 不同基因型蘋果PGT1和PGT2啟動子活性
（a）農桿菌介導的轉基因蘋果植株葉片中GFP的表達
（b）農桿菌介導轉基因蘋果根中GFP的表達

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