浙中醫藥學院開國銀團隊揭示bZIP轉錄因子調控丹參中酚酸與丹參酮生物合成的分子機制

2021-02-23 如沐風科研

2020年10月7日，浙中醫藥學院開國銀教授團隊與相關單位共同在Journal of Experimental Botany (IF5.908，中科院植物科學1區，TOP期刊)上正式發表了題為「ABA-responsive transcription factor bZIP1 is involved in modulating biosynthesis of phenolic acids and tanshinones in Salvia miltiorrhiza」的研究論文，該文以傳統中藥丹參為研究對象，首次揭示了脫落酸（ABA）響應的bZIP轉錄因子SmbZIP1正調控丹酚酸但負調控丹參酮生物合成的分子機制。

Journal of Experimental Botany期刊：

圖片來自Journal of Experimental Botany官網

1.雜誌主頁連結

（網址https://academic.oup.com/jxb）

      The aim of Journal of Experimental Botany (JXB) is to publish papers that advance our understanding of plant biology. Original research should provide new information on fundamental processes or mechanisms including those underpinning the improvement of plants for the sustainable production of food, fuel and renewable materials. When deciding whether a paper is suitable, consideration will be given to the breadth of the work and its significance to the plant science community.

Areas of particular focus:

· Cell Biology - molecular and vesicular trafficking; cell-to-cell communication; cytoskeleton; cell division; differentiation and death.

· Crop molecular genetics - trait and gene characterization; molecular analysis; metabolic processes.

· Growth and Development - integration of internal and external cues determining development and architecture; reproductive biology.

· Metabolism - photosynthesis; carbon uptake and assimilation; resource allocation; nutrition.

· Plant–Environment interactions - global change; biotic and abiotic stress; symbioses; plant-rhizoflora interactions; mineral nutrition.

      

      實驗植物學雜誌（JXB）的目的是發表能增進我們對植物生物學理解的論文。原始研究應提供有關基本過程或機制的新信息，包括為改善植物以可持續生產食品，燃料和可再生材料的基礎過程或機制。在確定論文是否合適時，將考慮工作的廣度及其對植物科學界的意義。

3.審稿周期及是否OA

     Guide for Authors需關注，審稿周期一般在2~4個月。該期刊為選擇性OA期刊。

丹參作為我國著名的傳統中藥，其水溶性酚酸類成分和脂溶性丹參酮具有良好的藥理活性，故被廣泛應用於治療心腦血管等疾病，市場需求巨大。由於近年來野生丹參資源匱乏，人工種植丹參品質退化嚴重，如何提高丹參中活性成分酚酸類與丹參酮的含量成為中藥資源領域的研究熱點之一，而深入解析丹參活性成分生物合成的調控機制是開展丹參活性成分代謝工程的基礎。研究表明遺傳操縱轉錄因子能夠顯著促進植物中次級代謝產物的生物合成。最近，開國銀教授團隊研究發現ERF, WRKY及MYB等轉錄因子家族成員能夠參與調控丹參次級代謝產物的生物合成，如SmERF1L1, SmWRKY1, SmWRKY2主要促進丹參酮的生物合成（Food Chemistry 2019, 274:368-375；Plant Science 2019, 284：1-8；Frontiers in Plant Science 2018, 9: 554）；SmERF115，SmMYB1/2主要調控丹酚酸的生物合成（Journal of Experimental Botany 2019, 70(1):243-254; Journal of Integrative Plant Biology 2020, 62(11):1688-1702；Horticulture Research 2020，in press）;而SmMYB98則同時促進丹參酮和酚酸類的生物合成（Journal of Advanced Research 2020, 23:1-12）。然而，有關bZIP類轉錄因子在丹參活性成分生物合作中的作用及調控機制卻鮮見報導。

▲開國銀教授在指導學生實驗分析

在本研究中，開國銀教授團隊發現外源脫落酸（ABA）處理丹參毛狀根能夠顯著促進丹酚酸含量的積累，但其分子誘導機制並不清楚。作者首先對ABA處理的丹參毛狀根進行轉錄組分析，並篩選到一個強烈響應ABA的bZIP類轉錄因子，命名為SmbZIP1。通過基因工程手段獲得SmbZIP1過表達與基因敲除（CRISPR-Cas9）的丹參毛狀根株系，通過HPLC測定毛狀根中丹酚酸與丹參酮含量，結果表明過表達SmbZIP1能夠顯著促進丹酚酸的積累，抑制丹參酮的生物合成；而敲除株系則呈現相反結果。進一步通過一系列生化實驗證明了SmbZIP1調控丹酚酸與丹參酮生物合成的靶標基因。在丹酚酸生物合成通路中，SmbZIP1能夠特異性結合C4H1啟動子區域的G-box-like元件並激活其表達，進而促進丹酚酸的累積；在丹參酮生物合成通路中，SmbZIP1能夠特異性結合GGPPS啟動子區域的G-box元件抑制其表達，導致丹參酮含量降低。隨後對SmbZIP1過表達毛狀根株系進行轉錄組測序，發現本團隊之前報導的一個轉錄因子SmERF1L1被顯著抑制，並通過雙螢光素酶報告（Dual-Luc）、酵母單雜交（Y1H）、凝膠遷移（EMSA）等實驗證明了SmbZIP1能夠轉錄抑制SmERF1L1的表達。這些發現揭示了SmbZIP1在丹酚酸與丹參酮生物合成中的作用機制，為丹參活性成分代謝工程提供了理論依據，並為進一步解析丹酚酸與丹參酮代謝調控網絡奠定了基礎。

1. bZIP TFs在丹參中的共表達和系統發育分析

2. SmbZIP1的特徵

3. SmbZIP1轉基因毛狀根系的獲得與鑑定


4. 轉基因毛狀根提取物的顏色和HPLC法測定酚酸和丹參酮的含量。

5. SmbZIP1與C4H1啟動子區域的G-Box-like1基序結合。

6.SmbZIP1與GGPPS啟動子區域的G-Box基序結合

7. DEG的途徑分析和其他基因的整體轉錄組分析

8. SmbZIP1可以綁定到SmERF1L1啟動子中的G-Box元素

開國銀教授團隊近年來在丹參有效成分的生物合成及代謝調控方面取得了一系列進展。這篇論文進一步揭示了ABA響應的SmbZIP1調控丹參酚酸與丹參酮生物合成的分子機制。聯培博士生鄧昌平為該論文第一作者，聯培博士生時敏為共同第一作者，開國銀教授為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金優秀青年科學基金、面上項目、浙江省「萬人計劃」科技創新領軍人才計劃及浙江省十三五首批高校高水平創新團隊項目等的資助。

開國銀：男，教授，博士生導師，現為浙江中醫藥大學學科辦副主任，中藥生物技術實驗室主任，浙江省「十三五」首批高校高水平創新團隊負責人。主要從事中藥生物技術與分子生藥學，天然產物代謝工程與合成生物學，藥食資源開發與活性評價等研究，先後主持包括國家自然科學基金委及省部級重點項目等20多項課題的研究。發表學術論文150餘篇，其中在國際知名期刊如Trends in Biotechnology、Chemical Engineering Journal、Nano-Micro Letters、Metabolic Engineering、New Phytologist、Critical Reviews in Food Science and Nutrition、Journal of Advanced Research、Food Chemistry、Journal of Experimental Botan 等發表SCI論文110餘篇（被引2000餘次，H-index為30，入選ESI高被引論文8篇及熱點論文1篇），獲授權發明專利18項。曾榮獲明治生命科學獎及省科技進步獎等科技獎勵4項。任《Current Medicinal Chemistry》等編委。先後入選國家優秀青年科學基金，教育部新世紀優秀人才, 浙江省萬人計劃科技創新領軍人才，浙江省高校創新領軍人才及浙江省衛生高層次創新人才等人才計劃。

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