AtPDS over-expression in tomato: exposing unique patterns of carotenoid self-regulation and an alternative strategy for the enhancement of fruit carotenoid content
- 作者
- Ryan P. McQuinn, Breanna Wong, James J. Giovannoni
- 单位
- Department of Plant Biology, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA; Boyce Thompson Institute for Plant Research, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA; Robert W. Holley Center for Agriculture and Health, USDA-ARS, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA; Australian Research Council Centre of Excellence in Plant Energy Biology, Research School of Biology, The Australian National University, Canberra, ACT 2601, Australia
- 杂志
- Plant Biotechnology Journal（2017）
- DOI
- 10.1111/pbi.12789
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
番茄果实成熟期间，PSY1 激活后，类胡萝卜素途径中是否存在其他限速步骤？如何通过调控 PDS 提高果实中番茄红素和 β-胡萝卜素含量，并改善顺式番茄红素的生物利用度？
研究策略
在番茄（Ailsa Craig）中异源过表达拟南芥 PDS（AtPDS），利用组成型 CaMV 35S 启动子驱动，结合 tangerine（CRTISO 突变）和 hp1 突变体，分析类胡萝卜素含量、异构体组成及类胡萝卜素合成基因表达变化。
核心内容
本研究在番茄中异源过表达拟南芥PDS基因（AtPDS），以探究果实成熟期类胡萝卜素合成途径中PSY1下游是否存在额外限速步骤。通过组成型CaMV 35S启动子驱动AtPDS表达，并结合CRTISO突变体tangerine及hp1突变体，分析果实中类胡萝卜素含量、异构体组成及相关基因表达变化。结果显示，AtPDS过表达使成熟果实总番茄红素含量最高增加31.1%，β-胡萝卜素增加42.8%，ζ-胡萝卜素增加超160%，而phytoene和phytofluene显著降低约70%；在tangerine背景下，AtPDS3.2;t3183果实中总番茄红素显著高于t3183和hp1;t3183，neurosporene较t3183高84.5%，prolycopene高30.3%。叶片中DXS表达诱导约2倍，CRTR-B1增加3-4倍，叶黄素等小幅增加，果实中除CRTIL1外其他基因表达无显著变化。研究表明PDS是成熟果实中PSY1下游的限速酶，异源AtPDS过表达可有效提升番茄红素和β-胡萝卜素含量且不触发明显反馈调控，结合CRTISO突变可进一步提高顺式番茄红素积累，为改善番茄类胡萝卜素营养品质提供了新策略。
创新点
首次证明 PDS 是成熟果实中 PSY1 下游额外的限速步骤；异源 AtPDS 过表达可绕过内源调控机制，避免细菌 CRTI 引起的反馈失调；将 AtPDS 过表达与 CRTISO 突变结合，可提高生物可利用的顺式番茄红素异构体含量。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Ailsa Craig) | 类胡萝卜素生物合成途径 | AtPDS | Phytoene desaturase (PDS) | 催化 | 异源表达拟南芥 PDS，催化 phytoene 脱氢生成 ζ-胡萝卜素 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Ailsa Craig) | 类胡萝卜素生物合成途径 | SlPDS | Phytoene desaturase (PDS) | 催化 | 内源番茄 PDS，在成熟果实中成为限速步骤 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Ailsa Craig) | 类胡萝卜素生物合成途径 | PSY1 | Phytoene synthase 1 | 催化 | 类胡萝卜素途径第一个限速酶，成熟期诱导表达 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Ailsa Craig) | 类胡萝卜素生物合成途径 | ZDS | ζ-carotene desaturase | 催化 | 催化 ζ-胡萝卜素脱氢，与 PDS 共同完成四步脱氢 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Ailsa Craig) | 类胡萝卜素生物合成途径 | ZISO | ζ-carotene isomerase | 催化 | 预测为跨膜蛋白，催化 9,9'-di-cis-ζ-胡萝卜素异构化 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Ailsa Craig) | 类胡萝卜素生物合成途径 | CRTISO | Carotene isomerase | 催化 | tangerine 突变导致 CRTISO 功能缺失，积累顺式番茄红素 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Ailsa Craig) | 类胡萝卜素生物合成途径 | CRTIL1 | CRTISO-like 1 | 催化 | 推测参与 ζ-胡萝卜素异构化，在 AtPDS 过表达果实中转录水平下调 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Ailsa Craig) | MEP 途径 | DXS | Deoxyxylulose 5-phosphate synthase | 催化 | MEP 途径限速酶，在 AtPDS 过表达叶片中表达上调约2倍 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Ailsa Craig) | 类胡萝卜素生物合成途径 | CRTL-B1, CRTL-B2 | Lycopene β-cyclase | 催化 | 果实中表达无显著变化，叶片中 CRTL-B1 上调 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Ailsa Craig) | 类胡萝卜素生物合成途径 | CRTR-B1 | Carotene β-hydroxylase | 催化 | 叶片中表达增加3-4倍，花中表达降低 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Ailsa Craig) | 质体电子传递 | PTOX | Plastid terminal oxidase | 能量供给 | 参与维持 PDS 的 FAD 氧化还原状态，尤其在非光合质体中 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Ailsa Craig) | 光信号转导 / 质体发育 | DDB1 (hp1) | Damaged DNA binding protein 1 | 调控 | hp1 突变增加质体数目，从而提高类胡萝卜素积累，与 AtPDS 过表达机制互补 |
关键发现
- 在成熟果实中，AtPDS 过表达使总番茄红素含量最高增加31.1%（相当于增加21.3 μg/g FW），β-胡萝卜素增加42.8%，ζ-胡萝卜素增加超过160%，而 phytoene 和 phytofluene 显著降低（约70%的残余 phytoene 被代谢）。在 tangerine 突变体背景下，AtPDS3.2
- t3183 果实中 phytoene 降低64.8%，phytofluene 降低61.8%，neurosporene 比 t3183 高84.5%，prolycopene 高30.3%，总番茄红素显著高于 t3183 和 hp1
- t3183。叶片中 DXS 表达诱导约2倍，CRTR-B1 表达增加3-4倍，同时叶黄素、β-隐黄质和玉米黄质小幅但显著增加。果实中除 CRTIL1 转录水平降低外，其他类胡萝卜素合成基因表达无显著变化。
研究结论
PDS 是成熟果实中类胡萝卜素合成的限速酶，通过异源过表达 AtPDS 可以有效提升番茄红素和 β-胡萝卜素含量，且不触发明显的反馈调控。结合 CRTISO 突变可进一步提高顺式番茄红素积累，为改善番茄类胡萝卜素营养品质提供新策略。