Light Harvesting-like Protein 3 Interacts with Phytoene Synthase and Is Necessary for Carotenoid and Chlorophyll Biosynthesis in Rice
- 作者
- Feng Yang, Das Debatsoh, Tao Song, Jian-hua Zhang
- 杂志
- Rice（2021）
- DOI
- 10.1186/s12284-021-00474-z
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析水稻中光收获复合体类似蛋白3（OsLIL3）在类胡萝卜素和叶绿素生物合成中的功能与调控机制。
研究策略
利用CRISPR-Cas9技术获得OsLIL3基因敲除突变体，结合表型与超微结构分析、全基因组转录组分析、酵母双杂交/免疫共沉淀/双分子荧光互补等蛋白互作验证及亚细胞定位，研究OsLIL3与八氢番茄红素合成酶（PSY）的互作及其对色素合成通路的调控。
核心内容
该研究利用CRISPR-Cas9技术创制了水稻光收获复合体类似蛋白3基因（OsLIL3）的敲除突变体，系统解析了其在类胡萝卜素和叶绿素生物合成中的功能。突变体表型分析显示，oslil3植株叶绿素含量较野生型降低约80%，类胡萝卜素含量降低约60%，株高从91.6厘米降至64厘米，结实率从86.4%骤降至25.3%，表明OsLIL3对植物生长发育和色素积累至关重要。转录组测序共鉴定出4288个差异表达基因，其中类胡萝卜素合成关键酶OsPSY1/2/3及叶绿素合成相关基因OsPORA、OsPORB（表达量下降约50%）和OsGGR均显著下调。通过酵母双杂交、免疫共沉淀和双分子荧光互补实验证实OsLIL3与OsPSY1/2/3三个成员直接互作，且两者共定位于叶绿体类囊体膜。进一步分析发现，OsLIL3缺失还导致OsPORB和OsGGR蛋白丰度大幅下降。该研究首次揭示OsLIL3作为类胡萝卜素和叶绿素合成通路的共同调控节点，通过直接结合PSY酶并影响下游POR和GGR水平来协调色素生物合成，为作物色素代谢工程提供了新的改良靶点。
创新点
首次发现OsLIL3直接与PSY家族的三个成员（OsPSY1/2/3）互作并调控其基因表达；揭示OsLIL3作为类胡萝卜素和叶绿素生物合成共同调控节点的分子机制，为作物色素代谢工程提供新靶点。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻 (Oryza sativa) | 色素生物合成调控 | OsLIL3 | OsLIL3 | 调控 | 光收获复合体类似蛋白3，与PSY、GGR、POR互作，调控其蛋白丰度和基因表达 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 类胡萝卜素生物合成 | OsPSY1 | OsPSY1 | 催化 | 八氢番茄红素合成酶，类胡萝卜素合成限速酶，与OsLIL3互作 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 类胡萝卜素生物合成 | OsPSY2 | OsPSY2 | 催化 | 八氢番茄红素合成酶，主要与OsLIL3互作，共定位于类囊体膜 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 类胡萝卜素生物合成 | OsPSY3 | OsPSY3 | 催化 | 八氢番茄红素合成酶，与OsLIL3互作 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 萜类/叶绿素生物合成 | OsGGR | OsGGR | 催化 | 香叶基香叶基还原酶，参与植基焦磷酸形成，与LIL3互作且蛋白水平受LIL3调控 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 叶绿素生物合成 | OsPORA | OsPORA | 催化 | 原叶绿素酸酯氧化还原酶A，基因表达在oslil3中下调 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 叶绿素生物合成 | OsPORB | OsPORB | 催化 | 原叶绿素酸酯氧化还原酶B，蛋白丰度在oslil3中显著降低 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 类胡萝卜素生物合成调控 | OsOR | OsOR | 调控 | 橙色蛋白，PSY的翻译后调控因子，在oslil3中表达无明显变化 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 类胡萝卜素生物合成调控 | OsCLPC1 | OsCLPC1 | 调控 | Clp蛋白酶ATP结合亚基，参与PSY蛋白降解，在oslil3中表达下调 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 类胡萝卜素生物合成调控 | OsCLPS1 | OsCLPS1 | 调控 | Clp蛋白酶底物识别亚基，参与PSY蛋白降解，在oslil3中表达下调 |
关键发现
- oslil3突变体总叶绿素含量降低80%、类胡萝卜素降低60%
- 株高从91.6 cm降至64 cm，结实率从86.4%降至25.3%
- RNA-seq共鉴定4288个差异表达基因（2188个上调、2100个下调）
- OsPSY1/2/3、OsGGR、OsPORA等基因在突变体中显著下调，其中OsPORB表达降低约50%
- Y2H、Co-IP和BiFC证实OsLIL3与OsPSY1/2/3直接互作，二者共定位于叶绿体类囊体膜
- OsLIL3突变导致OsPORB和OsGGR蛋白丰度大幅下降。
研究结论
OsLIL3通过与PSY酶直接互作并调控其基因表达，同时影响POR和GGR等酶的水平，在类胡萝卜素和叶绿素生物合成中发挥关键调控作用，是作物色素生物合成代谢工程的潜在靶点。