The maize PLASTID TERMINAL OXIDASE (PTOX) locus controls the carotenoid content of kernels
- 作者
- Yongxin Nie, Hui Wang, Guan Zhang, Haiping Ding, Beibei Han, Lei Liu, Jian Shi, Jiyuan Du, Xiaohu Li, Xinzheng Li, Yajie Zhao, Xiaocong Zhang, Changlin Liu, Jianfeng Weng, Xinhai Li, Xiansheng Zhang, Xiangyu Zhao, Guangtang Pan, David Jackson, Qin-Bao Li, Philip S. Stirand, Jennifer Arp, Martin M. Sachs, Steven Moose, Charles T. Hunter, Qingyu Wu, Zhiming Zhang
- 单位
- State Key Laboratory of Crop Biology, College of Life Sciences, Shandong Agricultural University; Maize Research Institute, Sichuan Agricultural University; State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi-arid Arable Land in Northern China, the Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences; National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement, Hubei Hongshan Laboratory, Huazhong Agricultural University; Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences; Cold Spring Harbor Laboratory; USDA-ARS, Chemistry Research Unit; USDA-ARS, Maize Genetics Cooperation Stock Center; University of Illinois at Urbana-Champaign, Department of Crop Sciences; Bayer Crop Science
- 杂志
- The Plant Journal（2023）
- DOI
- 10.1111/tpj.16618
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
玉米籽粒中类胡萝卜素含量低，特别是β-胡萝卜素（维生素A原）不足，本文旨在解析玉米PTOX位点在类胡萝卜素生物合成中的作用，并探索通过基因工程提高玉米营养品质的可行性。
研究策略
通过正向遗传学（EMS突变体筛选和图位克隆）和反向遗传学（UniformMu转座子插入和经典al1等位基因分析）鉴定玉米PTOX基因，并通过过表达实验验证其功能。
核心内容
该研究通过正向遗传学与反向遗传学手段，鉴定了玉米籽粒类胡萝卜素生物合成的关键位点PTOX。研究发现玉米中存在两个串联重复的PTOX基因，其中ZmPTOX1为主要功能基因；EMS突变体Zmptox1-1中G→A突变导致W186提前终止，另有等位基因造成mRNA缺失或内含子保留。突变体中PDS和ZDS活性降低，八氢番茄红素积累增多，而叶黄素和玉米黄质含量下降，α-和β-胡萝卜素几乎检测不到。过表达ZmPTOX1（上调10–45倍）使叶黄素、玉米黄质和α-胡萝卜素含量增加约2倍，β-胡萝卜素增加约3倍。关联分析发现4个SNP和1个InDel与类胡萝卜素含量显著相关，驯化分析显示该区域受到正向选择。这些结果揭示了PTOX位点在类胡萝卜素脱饱和步骤中的关键调控作用，证明通过上调ZmPTOX1表达可有效提高玉米籽粒中维生素A原含量，为玉米营养强化育种提供了明确靶点。
创新点
首次报道高等植物玉米中存在两个串联重复的PTOX基因，并证明干扰其中一个拷贝即可导致籽粒类胡萝卜素缺陷；发现经典突变体albescent1由PTOX突变引起；过表达ZmPTOX1可显著提高玉米籽粒中β-胡萝卜素等类胡萝卜素含量。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 玉米 (Zea mays L.) | 类胡萝卜素生物合成 | ZmPTOX1 | PTOX1 | 催化 | 质体末端氧化酶，维持质体醌（PQ）氧化态，为PDS和ZDS提供电子受体 |
| 玉米 (Zea mays L.) | 类胡萝卜素生物合成 | ZmPTOX2 | PTOX2 | 催化 | 第二个串联重复拷贝，表达水平低于ZmPTOX1，部分功能冗余 |
| 玉米 (Zea mays L.) | 类胡萝卜素生物合成 | PDS | 八氢番茄红素脱饱和酶 (Phytoene desaturase) | 催化 | 催化八氢番茄红素形成番茄红素前体，活性受PTOX调控 |
| 玉米 (Zea mays L.) | 类胡萝卜素生物合成 | ZDS | ζ-胡萝卜素脱饱和酶 (ζ-carotene desaturase) | 催化 | 催化ζ-胡萝卜素形成番茄红素，活性受PTOX调控 |
| 玉米 (Zea mays L.) | 类胡萝卜素生物合成 | ZmPSY1 | 八氢番茄红素合酶 (Phytoene synthase) | 催化 | 调节类胡萝卜素通量，过表达ZmPTOX1未显著影响其转录 |
关键发现
- EMS突变体Zmptox1-1中鉴定到G→A突变导致ZmPTOX1 W186提前终止
- 另一种等位基因导致mRNA 36 bp缺失或128 bp内含子保留。Zmptox1突变体中PDS和ZDS活性降低，籽粒中八氢番茄红素积累增多，lutein和zeaxanthin含量下降，α-胡萝卜素和β-胡萝卜素未检测到。过表达ZmPTOX1（上调10-45倍）使lutein、zeaxanthin和α-胡萝卜素含量增加约2倍，β-胡萝卜素增加约3倍。关联分析发现4个SNP和1个InDel与α-胡萝卜素或lutein含量显著相关（P≤0.001）。驯化分析显示ZmPTOX1区域πMaize/πTeosinte=15%，受到正向选择。
研究结论
玉米PTOX位点（ZmPTOX1和ZmPTOX2）在籽粒类胡萝卜素生物合成中发挥关键作用，其中ZmPTOX1是主要功能基因；通过调控ZmPTOX1表达可有效提高玉米籽粒类胡萝卜素含量，尤其是β-胡萝卜素（维生素A原），为玉米营养强化提供了新靶点。