光敏色素相互作用因子参与光调控植物倍半萜生物合成的分子机理研究

Sesquiterpenes are a group of 15 carbon compounds derived by the assembly of three isoprenoid units. They are important for plant defense against herbivores and pathogens as well as attraction of pollinators. Some sesquiterpenes also have good pharmaceutical values. Although the sesquiterpene biosynthetic pathways have been relatively well defined in higher plants; their regulation mechanisms are largely unknown so far. Plant sesquiterpenes formation is responsive both to light signal and endogenous phytohormones cues. In our previous study, we first found that two phytochrome-interacting factors (PIF3 and PIF4), the key transcription factors involved in light signal transduction pathway, were implicated in the negative regulation of sesquiterpene biosynthetic pathway in Arabidopsis thaliana. In this project, a series of A. thaliana pif mutants and overexpressing transgenic lines will be obtained. The transcriptional regulation patterns, protein-protein interactions and the floral volatile sesquiterpene will be analyzed to reveal the mechanism underlying PIFs-mediated regulation of sesquiterpenes biosynthesis by light. The success of the project will not only give a guild for the metabolic engineering of terpenes, but also pave the way to the production of valuable sesquiterpenes in microorganisms, using synthetic biology strategies.

倍半萜是一类由3个异戊二烯单元所构成15个碳原子的天然萜类化合物。倍半萜化合物不仅对植物抵御病虫害和吸引昆虫传粉具有十分重要的作用，而且其中一些还具有良好的药用活性。倍半萜生物合成途径的研究相对较清楚，然而其代谢调控机理的报道较少。植物倍半萜代谢是一个受到光与内源激素信号网络共同交互作用的过程。申请者在前期工作中发现拟南芥光信号通路中两个关键转录因子——光敏色素相互作用因子（PIF3和PIF4），可能参与了光对倍半萜生物合成的负调控过程。本项目将通过构建一系列不同组合的拟南芥pif突变体以及过表达转基因材料，主要从目标基因转录表达，基因转录调控，蛋白互作以及倍半萜类化合物的含量分析等几个不同方面阐明PIF参与光调控植物倍半萜代谢途径的分子机理。本项目的成功开展不仅可以指导萜类次生代谢的基因工程研究，而且为将来通过合成生物学手段在异源微生物中合成具有重要生物活性的倍半萜类物质奠定了基础。

倍半萜生物合成受到外源光信号与内源激素的共同调控。光敏色素作用因子PIFs是光信号通路中重要组分，MYC2是植物激素茉莉酸信号通路中关键的转录因子，它们如何参与光调控倍半萜生物合成的机理尚不清楚。本项目创制了一系列phyB，pif4和myc2突变体和过表达转基因的植物材料组合。检测分析发现pif4突变体中倍半萜含量和倍半萜合酶基因（TPS21）转录表达水平显著高于野生型对照，而过表达PIF4植株中倍半萜含量和TPS21转录本水平明显降低，表明PIF4作为负调控因子参与光对倍半萜生物合成的调控。此外，myc2突变体，myc2突变体背景下过表达PHYB植株（myc2/PHYB）和myc2pif4双突变体中植株倍半萜的含量均低于野生型对照（Col-0），并且三个材料中TPS21基因转录表达水平与其代谢物含量具有较好相关性，表明PIF4参与倍半萜生物合成一定程度上依赖于MYC2。进一步利用酵母双杂交与双分子荧光互补技术手段证实了PIF4与MYC2存在蛋白水平上的互作。以上结果表明，在光照条件下（红光或白光），光敏色素PHYB能够从细胞质中进入细胞核，与PIF4蛋白互作导致其蛋白降解。一旦MYC2从PIF4蛋白中解脱出来，它能够作为转录因子结合到目标基因启动子区域，激活TPS21基因表达，促进植物倍半萜的生物合成。对倍半萜生物代谢调控网络深入解析，不仅有助于我们更好理解外界环境（光）与植物内源激素信号通路的互作关系；而且能够帮助指导萜类次生代谢的基因工程研究，实现代谢调控的可预测性和可操作性。