南京林业大学岳远征教授团队:MADS-box转录因子OfDEFA通过双层转录调控网络调节桂花花香生物合成
- 2026-06-23 22:26:53
概
况
解析
近日，南京林业大学风景园林学院桂花种质资源创新与利用岳远征教授团队在Plant and Cell Physiology期刊上发表了题为“The MADS-box Transcription Factor Of DEFA Orchestrates Floral Aroma Biosynthesis in Osmanthus fragrans Flowers through a Dual-Layer Transcriptional Regulatory Network”的研究论文，揭示了MADS-box转录因子OfDEFA通过双层转录调控网络调节桂花花香生物合成机制。MADS-box转录因子家族广泛参与植物花器官形成和发育的调控过程。该研究团队在木本植物中首次发现MADS-box家族成员OfDEFA具有调控花香挥发物合成的功能。OfDEFA能够直接激活芳樟醇合成酶基因OfTPS1a和OfTPS7，以及OfTPS1a上游激活调控因子OfMYB21的表达，从而提高桂花花朵中芳樟醇及其氧化物的含量。该研究解析了OfDEFA通过多个调控路径参与桂花花香形成的分子机制，为桂花花香品质改良提供了潜在的基因资源。
在校硕士研究生任飞燕、王嘉以及施婷婷博士为该论文的第一作者，南京林业大学风景园林学院岳远征教授为本文的通信作者。已毕业研究生朱吴薇、在读研究生卫晨昱参与了本研究。团队负责人王良桂教授和杨秀莲教授对本研究提出了宝贵的建议。
论文题目：The MADS-box Transcription Factor OfDEFAOrchestrates Floral Aroma Biosynthesis in Osmanthus fragransFlowers through a Dual-Layer Transcriptional Regulatory Network
译 名：MADS-box转录因子OfDEFA通过双层转录调控网络调节桂花花香生物合成
期 刊：Plant and Cell Physiology
作 者：Feiyan Ren#, Jia Wang#, Tingting Shi#, Wuwei Zhu, Chenyu Wei, Chunling Zhang，Xiulian Yang, Lianggui Wang, Yuanzheng Yue*
研究背景
桂花（Osmanthusfragrans）花香品质主要由多种花香挥发物共同决定。其中，芳樟醇（linalool）及其氧化物是桂花特征香气的重要组成部分，也是影响桂花观赏价值和香料利用价值的关键物质。芳樟醇在植物中主要经MEP途径合成，萜类合酶（TPS）是催化芳樟醇形成的关键酶。已有研究表明，桂花中OfTPS1a、OfTPS7等基因参与芳樟醇合成。
基因表达通常受到启动子顺式作用元件和转录因子的共同调控。此前，桂花中已有MYB、bHLH、WRKY等转录因子被报道参与芳樟醇合成调控，但OfTPS1a上游是否还存在其他类型的调控因子，以及不同调控因子之间是否存在更复杂的调控关系，仍有待进一步解析。MADS-box转录因子是植物花器官发育中的重要调控因子，尤其是B类MADS-box基因，通常与花瓣和雄蕊发育密切相关。近年来，相关研究提示，部分花发育调控因子也可能参与成熟花器官中的次生代谢过程。本研究以桂花芳樟醇合成酶基因OfTPS1a为对象，聚焦启动子调控区域及上游转录因子，旨在鉴定参与桂花芳樟醇合成调控的关键因子，并阐明其对OfTPS1a、OfTPS7及桂花花香芳樟醇合成调控因子OfMYB21的作用关系，为理解桂花花香形成的复杂转录调控机制提供依据。
结果分析
1. OfTPS1a启动子关键调控区域鉴定及OfDEFA筛选
为解析OfTPS1a的上游调控因子，研究首先对其启动子顺式作用元件进行预测。OfTPS1a启动子中含有WRKY、AP2/ERF、bZIP、MADS-box、bHLH、MYB和DOF等多类转录因子结合位点，且F3-F4区域顺式作用元件较为密集（图1a）。启动子截短GUS实验显示F3片段的GUS活性最高，而F4片段活性显著降低（图1b、c），提示F3-F4区域是影响OfTPS1a启动子活性的重要区域。以F3-F4片段（-1737至-1246 bp）为诱饵进行酵母单杂交筛库，共获得55个阳性克隆，并从中鉴定到一个MADS-box转录因子OfDEFA（图1d）。亚细胞定位显示OfDEFA定位于细胞核（图1e），其在桂花S1-S4时期保持较高表达，S5时期明显下降，并与OfTPS1a表达呈较高正相关（图1f、g）。
图1 OfTPS1a启动子分析及OfDEFA鉴定
2.OfDEFA直接激活OfTPS1a启动子
为验证OfDEFA是否调控OfTPS1a，进行了酵母单杂交、双荧光素酶和EMSA实验。酵母单杂交结果表明，OfDEFA能够与OfTPS1a启动子发生互作（图2a）。双荧光素酶实验显示OfDEFA显著提高OfTPS1a启动子驱动的LUC/REN活性，烟草叶片中也观察到更强的荧光信号（图2b、c）。EMSA结果证实，OfDEFA蛋白能够结合OfTPS1a启动子F3-F4区域中的CArG-box元件（图2d）。
图2 OfDEFA直接激活OfTPS1a启动子
3. OfDEFA促进桂花芳樟醇及其氧化物积累
为分析OfDEFA在桂花花香形成中的作用，研究在桂花花朵中进行了瞬时过表达和VIGS沉默实验。OfDEFA过表达后，‘籽银桂’、‘麸金’和‘小叶四季桂’中OfTPS1a表达量均显著升高（图3a）。GC-MS检测显示，‘籽银桂’中过表达OfDEFA促进了芳樟醇及其氧化物积累（图3b、d），PCA分析中对照组与过表达组挥发物谱明显分离（图3c）。
图3 OfDEFA过表达促进桂花芳樟醇及其氧化物积累
VIGS沉默OfDEFA后，OfDEFA和OfTPS1a表达量均下降（图4a），‘籽银桂’中芳樟醇及其氧化物含量降低（图4b、d），沉默组与对照组挥发物谱也表现出明显差异（图4c）。
图4OfDEFA沉默降低桂花芳樟醇及其氧化物积累
4. OfDEFA直接调控另一个芳樟醇合成基因OfTPS7
为进一步分析OfDEFA的下游靶基因，研究检测了OfDEFA过表达后MEP途径中多个关键酶基因的表达变化，包括OfDXS、OfDXR、OfMCT、OfHDR、OfTPS6和OfTPS7。结果显示，OfTPS7表达量显著升高（图5a）。双荧光素酶实验证实，OfDEFA能够激活OfTPS7启动子（图5b）；EMSA结果显示，OfDEFA可以直接结合OfTPS7启动子中的CArG-box元件（图5c）。
图5 OfDEFA直接激活OfTPS7启动子
5. OfDEFA激活OfMYB21表达
为分析OfDEFA是否参与其它已报道的调控桂花花香的转录因子具有调控关系，研究检测了OfDEFA过表达后OfMYB21、OfbHLH35和OfWRKY33的表达变化。结果表明，仅OfMYB21表达量显著升高，OfbHLH35和OfWRKY33表达变化不明显（图6a）。双荧光素酶实验显示，OfDEFA能够激活OfMYB21启动子（图6b）；EMSA结果证明OfDEFA可以结合OfMYB21启动子中的CArG-box元件（图6c）。由于OfMYB21已被报道为OfTPS1a的正调控因子，该结果提示OfDEFA可能通过调控OfMYB21进一步影响OfTPS1a表达。
图6 OfDEFA激活OfMYB21表达
6. OfDEFA调控桂花芳樟醇合成的工作模型
基于上述结果，研究构建了OfDEFA调控桂花芳樟醇合成的工作模型。OfDEFA可直接结合并激活OfTPS1a和OfTPS7启动子，促进芳樟醇合成相关结构基因表达；同时，OfDEFA还可激活OfMYB21表达，并通过OfMYB21进一步影响OfTPS1a，共同促进桂花芳樟醇及其氧化物积累（图7）。
图7 OfDEFA调控桂花芳樟醇合成的分子机制模型图
总结讨论
我们鉴定到OfDEFA是一个能够整合结构基因和转录因子基因共同调控芳樟醇生物合成的高级调控因子。研究发现，OfDEFA能够直接激活两个关键芳樟醇生物合成酶基因 OfTPS1a 和OfTPS7 的表达，从而促进芳樟醇的产生。此外，我们进一步证明OfDEFA还能够通过OfMYB21-OfTPS1a调控模块促进芳樟醇生物合成。这些结果证明，OfDEFA 不仅通过直接激活多个OfTPSs基因来增强芳樟醇生物合成，还通过OfDEFA-OfMYB21-OfTPS1a 转录级联途径发挥作用（图7），基于以上结果构建起一个多层次的花香调控网络。
原文链接：https://doi.org/10.1093/pcp/pcag072
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