A functional zeaxanthin epoxidase from red algae shedding light on the evolution of light-harvesting carotenoids and the xanthophyll cycle in photosynthetic eukaryotes
- 作者
- Oliver Dautermann, Martin Lohr
- 单位
- Johannes Gutenberg-Universität, Institut für Molekulare Physiologie, Pflanzenbiochemie, Johannes-von-Müller-Weg 6, 55128 Mainz, Germany
- 杂志
- The Plant Journal（2017）
- DOI
- 10.1111/tpj.13725
- 所属领域
- 植物生物化学 / 进化生物学
- 关键词
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解决的核心问题
红藻中是否存在功能性玉米黄质环氧化酶（ZEP）？其基因起源及在光捕获类胡萝卜素和叶黄素循环进化中的角色是什么？
研究策略
通过搜索公共数据库（包括蓝藻、灰藻、红藻）鉴定ZEP候选基因，进行系统发育分析，结合HPLC色素分析和在ZEP缺陷的烟草aba2突变体中进行农杆菌介导的瞬时表达，验证红藻ZEP的催化功能。
核心内容
该研究从红藻中鉴定并功能验证了首个玉米黄质环氧化酶基因（MeZEP），并探讨了其在光捕获类胡萝卜素和叶黄素循环进化中的角色。通过搜索公共数据库，作者在11种红藻中的3个物种（Compsopogon coeruleus、Madagascaria erythrocladioides、Calliarthron tuberculosum）中发现了ZEP候选基因，系统发育分析显示红藻ZEP与chromalveolates的ZEP亲缘关系最近。利用HPLC色素分析发现，antheraxanthin在Compsopogonophyceae中占总类胡萝卜素的47%–65%（如M. erythrocladioides中为64%），而violaxanthin未检出或仅痕量。在烟草aba2突变体中瞬时表达MeZEP后仅产生antheraxanthin，不产生violaxanthin和neoxanthin，而表达拟南芥AtZEP则能恢复violaxanthin和neoxanthin，表明MeZEP底物特异性独特，仅催化zeaxanthin环氧化生成antheraxanthin。该结果意味着ZEP在红藻和绿色植物分化前已存在，chromalveolates的ZEP源于红藻内共生事件，而非横向基因转移。红藻ZEP可用于改造植物光合机构，以antheraxanthin替代violaxanthin。
创新点
首次从红藻中鉴定并功能验证了一个ZEP基因（MeZEP），发现其底物特异性与其他已知ZEP不同，仅催化zeaxanthin环氧化生成antheraxanthin而非violaxanthin；系统发育分析表明ZEP在红藻和绿色植物分化前已存在，且chromalveolates的ZEP来源于红藻内共生体。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nicotiana plumbaginifolia aba2突变体 | 类胡萝卜素生物合成 | MeZEP | Zeaxanthin epoxidase (ZEP) | 催化 | 红藻Madagascaria erythrocladioides的ZEP，瞬时表达仅产生antheraxanthin |
| Nicotiana plumbaginifolia aba2突变体 | 类胡萝卜素生物合成 | AtZEP | Zeaxanthin epoxidase (ZEP) | 催化 | 拟南芥ZEP，作为对照恢复violaxanthin和neoxanthin合成 |
| Escherichia coli | 非类胡萝卜素相关 | AtVDE | Violaxanthin de-epoxidase (VDE) | 催化 | 用于体外验证antheraxanthin的脱环氧化反应 |
| Madagascaria erythrocladioides | 类胡萝卜素生物合成 | MeZEP | Zeaxanthin epoxidase (ZEP) | 催化 | 红藻内源ZEP，antheraxanthin占总类胡萝卜素64% |
关键发现
- 在11种红藻中鉴定到3种含ZEP候选基因的物种（Compsopogon coeruleus、Madagascaria erythrocladioides、Calliarthron tuberculosum）；红藻ZEP与chromalveolate ZEP亲缘最近。HPLC显示antheraxanthin在Compsopogonophyceae中占总类胡萝卜素47%-65%（如M. erythrocladioides为64%，C. coeruleus SAG
- 79为62%，C. coeruleus SAG
- 94为56%），violaxanthin未检出或仅痕量。在烟草aba2突变体中表达MeZEP后产生antheraxanthin，而violaxanthin和neoxanthin不可检出；表达AtZEP则恢复violaxanthin和neoxanthin。MeZEP与最接近的Nannochloropsis oceanica ZEP氨基酸序列一致性为46%，相似性为67%。C. tuberculosum ZEP候选基因的5'端部分ORF为896 bp，3'端为416 bp。
研究结论
红藻中存在功能性的ZEP，该酶仅将zeaxanthin转化为antheraxanthin，不走violaxanthin。ZEP早在红藻和绿色植物分化之前就已进化，chromalveolates的ZEP基因来源于红藻内共生体而非横向基因转移。红藻ZEP可用于工程改造植物，使其光合机构积累antheraxanthin替代violaxanthin。