植物激素与芥子油苷在生物合成上的相互作用

植物激素在植物的生长发育中起着关键性作用,芥子油苷是一类重要的次生代谢物质。植物激素与芥子油苷之间存在复杂的相互作用。生长素与吲哚类芥子油苷在生物合成上存在着相互作用。植物防卫信号分子与芥子油苷之间也存在相互作用,茉莉酸强烈诱导吲哚类芥子油苷生物合成相关基因CYP7982和CYP7983的表达,从而诱导吲哚-3-甲基芥子油苷和N-甲氧吲哚-3-甲基芥子油苷等吲哚类芥子油苷的生成,水杨酸和乙烯则能轻度诱导4-甲氧吲哚-3-甲基芥子油苷的生成。植物防卫信号转导途径相互作用以精细调节不同种类吲哚类芥子油苷的生成。     

flg22诱导的拟南芥转录组分析及芥子油苷代谢途径的变化

flg22是细菌鞭毛蛋白N端的一段保守性极高的区域,能够诱导植物天然的免疫反应,为全面了解植物在受到细菌性病原菌侵害后的系统响应,利用Illumina Hiseq2000对flg22处理和未处理的拟南芥幼苗进行转录组测序。对两组数据进行差异表达分析,共获得1 200个差异表达基因,包括290个下调基因和910个上调基因。对差异表达基因进行GO富集分析和KEGG pathway富集分析,结果显示,flg22处理后,拟南芥在能量代谢、氨基酸代谢及次生代谢产物的生物合成等方面产生了巨大变化。芥子油苷是一类在植物防御病原菌的天然免疫反应中起重要作用的次生代谢产物,因此对芥子油苷代谢途径的变化进行了深入分析。根据测序结果,Flg22处理后吲哚族芥子油苷合成途径的基因表达水平显著提高,而脂肪族芥子油苷代谢途径几乎没有变化,进一步对吲哚族芥子油苷合成途径的关键酶基因进行Real Time RT-PCR的分析,验证了测序结果的正确性,证明了吲哚族芥子油苷在植物抗病防御反应中的重要作用。这为深入理解病原菌诱导的植物防御性反应及吲哚族芥子油苷的抗病机制提供了大量参考数据。     

高通量测序解析大青叶有效成分的生物合成途径

中药大青叶是菘蓝的干燥叶片,主要活性物质为吲哚类化合物,包括靛蓝、靛玉红、色胺酮等,以上吲哚类化合物的生物合成起始于色氨酸途径,目前在植物中的合成机制还未完全阐明.本研究以成熟菘蓝叶片为研究对象,对茉莉酸甲酯诱导的叶片进行了转录组分析,对已知途径进行了转录组注释,并对未解析途径进行了预测分析.分别获得了色氨酸代谢途径中色氨酸、吲哚乙酸、吲哚苷和萜类吲哚生物碱合成几个代谢支路中16个催化步骤的38个编码基因.通过共表达网络分析,预测转录因子bHLH125可能对吲哚途径具有核心调控作用;CYP2A6-1和CYP735A2等蛋白可能催化生成靛蓝、靛玉红、色胺酮前体的羟基化反应,对这两个蛋白与底物分子的结合进行分子对接建模,均显示对吲哚分子具有较好的结合力.本研究为后续开展菘蓝代谢调控和育种,以及开展吲哚类物质合成生物学研究提供候选基因.     

盐胁迫对拟南芥和盐芥莲座叶芥子油苷含量的影响

芥子油苷是十字花科植物中一类含氮、含硫的次生代谢产物,与其水解产物在植物防御功能中有重要意义且与环境因子关系密切。以模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）和盐生模式植物盐芥（Thellungiella halophila）为研究对象,系统地分析了盐胁迫下二者芥子油苷组成和含量的变化规律。拟南芥（生长4周）和盐芥（生长6周）叶片的芥子油苷组成在盐胁迫后没有改变。拟南芥的芥子油苷总量、脂肪族芥子油苷总量、吲哚族芥子油苷总量受盐胁迫的影响均不显著,而盐芥的则随盐胁迫增强先减少、后增加并高于对照水平。拟南芥脂肪族的3MSOP、5MSOP和吲哚族的4OHI3M、4MOI3M随盐胁迫增强而含量降低,而脂肪族的6MSOH、吲哚族的I3M以及盐芥脂肪族的3MSOP则随盐胁迫增强有含量增加的趋势。拟南芥脂肪族的8MSOO和吲哚族的1MOI3M,盐芥脂肪族的3MTP、Allyl、10MSD和吲哚族的4MOI3M,在盐胁迫下的含量变化与盐芥芥子油苷总量的变化趋势一致。     

外源色氨酸对油菜幼苗色氨酸下游代谢网络及生长发育的影响

色氨酸是合成蛋白质的重要氨基酸,也是植物生长激素IAA和某些次生代谢产物的前体物质,对植物生长发育及病虫害防御有重要作用。为了探究色氨酸对白菜型油菜(Brassica rapa L)生长发育及防御物质累积的影响及其可能的机制,该研究采用外源色氨酸对油菜幼苗进行叶面喷施,分析了色氨酸对油菜幼苗生长发育及生长素IAA和次生代谢产物芥子油苷合成的影响。结果表明：(1)低浓度色氨酸(100 mg/L)处理可有效地促进油菜叶片与根系的发育,但随着浓度增高,促进作用逐渐减弱。(2)荧光定量PCR分析表明,外源色氨酸处理后,油菜幼苗叶片中生长素IAA的3条合成途径都被激活,IPA途径的BrTAA1和BrYUCCA8、IAM途径的BrAMI1及IAOx途径的BrCYP71A13和BrNIT2等关键酶基因的表达均受到强烈的诱导,因而导致IAA的含量显著提高。(3)外源色氨酸处理还激活了下游的吲哚族芥子油苷的合成途径调控因子基因BrMYB34、BrMYB51和BrMYB122以及合成酶基因BrCYP79B2、BrCYP79B3、BrCYP83B1、BrSUR1的表达,同时抑制了其降解酶基因BrTGG1、BrPEN2的表达,从而引起吲哚族芥子油苷的累积。研究发现,外源色氨酸处理可通过调控生长素IAA合成途径和吲哚族芥子油苷的合成途径相关基因表达,有效地促进油菜生长调节物质和生物防御物质的累积,从而增加生物量和提高潜在抗病能力。     

植物中的吲哚族芥子油苷与生长素代谢途径的关系

文章介绍了植物中的吲哚族芥子油苷代谢与生长素合成途径相互关系的研究进展。     

拟南芥莲座叶芥子油苷含量对水分胁迫的响应

芥子油苷(glucosinolates)是十字花科植物中一类含氮、含硫的次生代谢产物,与其水解产物在植物防御功能中有重要意义且与环境因子关系密切.通过控制供水的方式对营养生长时期的拟南芥幼苗进行水分胁迫,观察了土壤自然干旱对营养生长时期拟南芥莲座叶芥子油苷含量及组成的影响.结果表明,土壤自然干旱处理下,拟南芥莲座叶的芥子油苷总量从处理3 d起低于对照,且随着处理天数的增加与对照组的差异逐渐增大,脂肪族芥子油苷的响应均比较明显,与芥子油苷总量的变化趋势基本一致,而吲哚族芥子油苷对水分胁迫则不敏感.脂肪族中的4-甲基亚磺酰丁基芥子油苷(4-methylsulphinylbutyl GS,4MSOB)占脂肪族芥子油苷的比例最大,它的含量变化成为影响莲座叶中芥子油苷组合模式的主导因素.     

机械损伤对拟南芥莲座叶芥子油苷含量和组成的影响

植物可以利用体内次生代谢产物的变化来抵御昆虫取食和机械损伤.芥子油苷是拟南芥的主要次生代谢产物.通过剪刀剪取叶片(40%面积)对温室培养的拟南芥幼苗莲座叶进行机械损伤处理,观察机械损伤后8个时间点拟南芥叶片中不同种类芥子油苷含量和组合模式的变化.结果表明机械损伤后3 h叶片中芥子油苷总含量开始明显上升,脂肪族和吲哚族芥子油苷含量在损伤后3 h也都显著高于损伤前.在检测到的12种芥子油苷中,4-甲基亚磺酰丁基芥子油苷(4-methylsulphinylbutyl GS,4MSOB)的含量最多,占芥子油苷总量的48.5%,并且在损伤3 h后含量增加.4MSOB含量的变化成为影响莲座叶中芥子油苷组合模式的主导因素.其它各种芥子油苷在损伤后不同时间点的变化也存在差异.     

拟南芥PMSR2对脂肪族芥子油苷侧链的修饰作用

芥子油苷是一类由氨基酸合成的次生代谢产物,脂肪族芥子油苷主要来源于甲硫氨酸,因侧链长度和结构的不同而拥有多样化的生物活性。根据拟南芥不同组织中芥子油苷组分和含量的特点及生物信息学分析,我们推断脂肪族芥子油苷的侧链修饰反应中可能存在由甲基亚磺酰基芥子油苷向甲硫基芥子油苷转化的还原反应,候选基因为甲硫氨酸硫还原酶2(Peptide Methionine Sulfoxide Reductase 2,PMSR2)。为了验证这一假设,我们构建了过量表达PMSR2基因的转基因拟南芥,对其芥子油苷组分及含量进行了测定,并与野生型和PMSR2基因缺失的突变体进行了对比分析,结果表明,PMSR2基因的过量表达并未使芥子油苷含量与组分发生明显变化,但PMSR2基因缺失的突变体与野生型相比,MS GSL/MT GSL的值显著提高,证明PMSR2参与了脂肪族芥子油苷侧链的修饰反应,可以将MS GSL中的硫还原生成MT GSL。该酶的鉴定进一步完善了对芥子油苷合成途径及其侧链修饰的认识,为深入研究脂肪族芥子油苷的生理功能奠定了理论基础。     

茉莉酸甲酯对广藿香JA信号转导途径及倍半萜合成途径关键基因表达的影响

分析外源性茉莉酸甲酯对广藿香JA信号转导途径关键基因JAZ2、MYC2、COI1及倍半萜合成途径关键基因PTS、FPPS、SQLE表达的影响,为深入研究茉莉酸甲酯调控广藿香JA信号转导途径及倍半萜合成途径的分子机制奠定基础。该文分别用0.10和0.25 mmol·L~(-1)的MeJA喷施广藿香叶片,于处理后的0、2、6、12、24、48、72 h摘取叶片,运用实时荧光定量PCR对JAZ2、MYC2、COI1、PTS、FPPS、SQLE基因的表达量进行检测。结果表明:0.10和0.25 mmol·L~(-1)的MeJA对广藿香JA信号转导途径JAZ2、MYC2、COI1及倍半萜合成途径PTS、FPPS、SQLE基因表达均有不同程度的促进作用,其中对JAZ2基因表达影响最显著。0.10mmol·L~(-1)MeJA溶液处理2 h时,JAZ2表达量上调13.52倍; 0.25 mmol·L~(-1)MeJA溶液处理48 h时,JAZ2表达量上调19.09倍。JA信号转导途径关键基因JAZ2与倍半萜合成途径关键基因FPPS存在极显著正相关关系。综上结果表明MeJA溶液可诱导广藿香JAZ2、MYC2、COI1、PTS、FPPS、SQLE基因的表达,且不同浓度MeJA对基因表达有着不一样的影响; JAZ2是JA信号转导途径里响应MeJA诱导的主要基因,其可激活倍半萜合成途径FPPS基因的协同表达,进而影响广藿香醇等倍半萜合成。     

Modulation of CYP79 genes and glucosinolate profiles in Arabidopsis by defense signaling pathways

Glucosinolates are natural plant products that function in the defense toward herbivores and pathogens. Plant defense is regulated by multiple signal transduction pathways in which salicylic acid (SA), jasmonic acid, and ethylene function as signaling molecules. Glucosinolate content was analyzed in Arabidopsis wild-type plants in response to single or combinatorial treatments with methyljasmonate (MeJA), 2,6-dichloro-isonicotinic acid, ethylene, and 2,4-dichloro-phenoxyacetic acid, or by wounding. In addition, several signal transduction mutants and the SA-depleted transgenic NahG line were analyzed. In parallel, expression of glucosinolate biosynthetic genes of the CYP79 gene family and the UDPG:thiohydroximate glucosyltransferase was monitored. After MeJA treatment, the amount of indole glucosinolates increased 3- to 4-fold, and the corresponding Trp-metabolizing genes CYP79B2 and CYP79B3 were both highly induced. Specifically, the indole glucosinolate N-methoxy-indol-3-ylmethylglucosinolate accumulated 10-fold in response to MeJA treatment, whereas 4-methoxy-indol-3-ylmethylglucosinolate accumulated 1.5-fold in response to 2,6-dichloro-isonicotinic acid. In general, few changes were seen for the levels of aliphatic glucosinolates, although increases in the levels of 8-methylthiooctyl glucosinolate and 8-methylsulfinyloctyl glucosinolate were observed, particularly after MeJA treatments. The findings were supported by the composition of glucosinolates in the coronatine-insensitive mutant coi1, the ctr1 mutant displaying constitutive triple response, and the SA-overproducing mpk4 and cpr1 mutants. The present data indicate that different indole glucosinolate methoxylating enzymes are induced by the jasmonate and the SA signal transduction pathways, whereas the aliphatic glucosinolates appear to be primarily genetically and not environmentally controlled. Thus, different defense pathways activate subsets of biosynthetic enzymes, leading to the accumulation of specific glucosinolates.     

The COI1 and DFR Genes are Essential for Regulation of Jasmonate-Induced Anthocyanin Accumulation in Arabidopsis

Jasmonates （JAs） are a class of plant hormones that play important roles in the regulation of plant development and plant defense. It has been shown that Arabidopsis plants produce much higher levels of anthocyanins when treated exogenously with methyl jasmonate （MeJA）. However, a molecular link between the JA response and anthocyanin production has not been determined. The CORONATINE INSENTITIVE1 （COI1） gene is a key player in the regulation of many JA-related responses. In the present study, we demonstrate that the COI1 gene is also required for the JA-induced accumulation of anthocyanins in Arabidopsis. Furthermore, the MeJA-inducible expression of DIHYDROFLAVONOL REDUCTASE （DFR）, an essential component in the anthocyanin biosynthesis pathway, was completely eliminated in the coil mutant. Jasmonateinduced anthocyanin accumulation was found to be independent of auxin signaling. The present results indicate that the expression of both COI1 and DFR genes is required for the regulation of JA-induced anthocyanin accumulation and that DFR may be a key downstream regulator for this process.