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教學(xué)科研

生物學(xué)院杜仲育種團隊在杜仲膠合成轉錄調控方面取得新進(jìn)展

近日,我校生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院杜仲育種團隊在International Journal of Biological Macromolecules(一區,TOP期刊,IF=8.2)雜志分別發(fā)表了題為"EuHDZ25 positively affects rubber biosynthesis by targeting EuFPS1 in Eucommia leaves"和"Positive regulation of the Eucommia rubber biosynthesis-related gene EuFPS1 by EuWRKY30 in Eucommia ulmoides"的研究論文,揭示了轉錄因子EuHDZ25、EuWRKY30調控杜仲膠合成的分子機制,及其在三倍體杜仲葉片膠含量升高中的作用。


天然橡膠是由高分子的聚異戊二烯組成,包括順式聚異戊二烯和反式聚異戊二烯。自然界中有2000多種植物能夠合成順式膠。而能夠合成反式膠的植物只有杜仲等少數幾種。杜仲的葉片、樹(shù)皮和果皮中均含有反式聚異戊二烯(杜仲膠),起硫化后具有良好的橡塑二元性特點(diǎn),且具有硬度高、熱膨脹/收縮系數較低、絕緣性好、耐酸堿腐蝕等優(yōu)良特性,在交通、生物醫藥、紡織、航空航天等領(lǐng)域具有巨大的應用潛力。


目前,杜仲膠合成轉錄調控分子機制尚不清楚,而有關(guān)杜仲三倍體葉片膠含量變異規律及關(guān)鍵基因的轉錄調控機制更未見(jiàn)有研究報道。團隊以前期通過(guò)高溫誘導2n雌配子染色體加倍獲得的杜仲三倍體以及二倍體為材料開(kāi)展研究,發(fā)現杜仲三倍體和二倍體葉片膠含量均隨著(zhù)葉齡的增加而逐漸積累,約60d葉齡后趨于穩定;三倍體杜仲葉片的平均含膠量顯著(zhù)高于二倍體。進(jìn)一步利用三倍體和二倍體不同發(fā)育階段葉片的轉錄組數據和膠含量表型,構建了WGCNA共表達網(wǎng)絡(luò ),發(fā)現膠合成途徑中的EuFPS1與膠含量呈極顯著(zhù)正相關(guān)。隨后成功克隆了EuFPS1基因,發(fā)現過(guò)表達EuFPS1能顯著(zhù)提高杜仲中的膠含量,證明其在杜仲膠生物合成過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用,其中轉錄因子EuHDZ25與EuFPS1表達量高度正相關(guān)。進(jìn)一步通過(guò)酵母單雜交、雙熒光素酶報告基因檢測實(shí)驗和遺傳轉化證實(shí)了EuHDZ25是EuFPS1的正向調控因子,EuHDZ25主要通過(guò)EuFPS1基因表達調節杜仲膠合成(圖1-A)。同時(shí)研究發(fā)現,三倍體杜仲葉片中的EuFPS1和EuHDZ25均顯著(zhù)上調表達,表明杜仲膠生物合成過(guò)程中,EuHDZ25及其調控EuFPS1的顯著(zhù)上調表達可能是三倍體杜仲葉片膠含量增加的原因之一(圖1-B)。研究為進(jìn)一步探索多倍體次生代謝產(chǎn)物含量變化的分子機制以及杜仲膠資源的開(kāi)發(fā)利用提供了重要的理論依據。


圖1 :轉錄因子EuHDZ25調控杜仲膠合成(A) 及三倍體膠含量升高(B)分子模型


法尼基焦磷酸合酶(FPS1)是杜仲膠生物合成的關(guān)鍵酶,團隊以EuFPS1的啟動(dòng)子為誘餌,利用酵母單雜交(Y1H)系統從杜仲cDNA文庫中篩選出一個(gè)與杜仲膠合成相關(guān)的轉錄因子EuWRKY30。研究發(fā)現EuWRKY30與EuFPS1有相似的組織表達模式,進(jìn)一步通過(guò)酵母單雜交和雙熒光素酶報告基因檢測實(shí)驗證明,EuWRKY30直接與EuFPS1啟動(dòng)子中的W-Box元件結合,并激活其表達。且EuWRKY30過(guò)表達杜仲可顯著(zhù)增加EuFPS1的表達水平,進(jìn)一步增加杜仲膠含量。證明轉錄因子EuWRKY30通過(guò)正調控杜仲膠生物合成關(guān)鍵基因EuFPS1的表達從而促進(jìn)杜仲膠合成。杜仲三倍體葉片轉錄因子EuWRKY30顯著(zhù)上調表達,促進(jìn)杜仲膠生物合成關(guān)鍵基因EuFPS1表達,也是杜仲膠含量提高的重要分子機制之一。研究結果為深入解析杜仲膠生物合成的轉錄調控機制以及進(jìn)一步開(kāi)展分子設計育種提供了理論基礎。



生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士研究生張淑雯為兩篇論文的第一作者,青年教師李赟為通訊作者,康向陽(yáng)教授對本研究進(jìn)行了指導。研究生陳浩、徐婷婷、景艷春、夏宇飛、郭銳華、王順和團隊青年教師杜康,以及河南農業(yè)大學(xué)任勇諭、威縣林木良種繁育基地宋連君高工等參與了相關(guān)研究。該項目得到國家自然科學(xué)基金項目(32301620)和中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費專(zhuān)項資金(BLX202118)的資助。


原文鏈接:


https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.131751


https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.132707