Regulation of carotenoid biosynthesis in plants: evidence for a key role of hydroxy methylbutenyl diphosphate reductase in controlling the supply of plastidial isoprenoid precursors
- 作者
- Patricia Botella-Pavia, Oscar Besumbes, Michael A. Phillips, Lorenzo Carretero-Paulet, Albert Boronat, Manuel Rodriguez-Concepcion
- 单位
- Departament de Bioquímica i Biologia Molecular, Facultat de Quimica, Universitat de Barcelona, Marti i Franques 1-7, 08028 Barcelona, Spain
- 杂志
- The Plant Journal（2004）
- DOI
- 10.1111/j.1365-313X.2004.02198.x
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
质体异戊二烯前体（IPP、DMAPP和GGPP）供应不足是植物类胡萝卜素代谢工程的主要瓶颈；本文旨在研究MEP途径末端酶HDR（HMBPP还原酶）在调控质体类胡萝卜素前体供应中的作用。
研究策略
分析番茄果实成熟和拟南芥幼苗去黄化过程中HDR基因表达与类胡萝卜素积累的相关性；在拟南芥中组成型过表达番茄HDR cDNA，并构建35S:TXS与35S:HDR或35S:DXS的双转基因植株，通过HPLC和GC-MS测定类胡萝卜素及紫杉二烯含量，比较HDR与DXS对前体供应的调控作用。
核心内容
该研究揭示了MEP途径末端酶HDR（HMBPP还原酶）在植物类胡萝卜素前体供应中的关键调控作用。作者首先发现番茄果实成熟和拟南芥幼苗去黄化过程中HDR基因表达与类胡萝卜素积累高度相关，拟南芥照光6小时后HDR转录水平达到黄化苗的10倍，β-胡萝卜素升高近4倍。进一步在拟南芥中组成型过表达番茄HDR cDNA，使光下幼苗总类胡萝卜素水平提高约50%，但导致种子萌发延迟，提示ABA水平升高。为定量比较HDR与DXS的调控贡献，构建了含紫杉二烯合酶报告系统的双转基因植株，结果显示35S:TXS与35S:HDR杂交F2幼苗的紫杉二烯含量比仅含TXS的对照高13倍，而35S:TXS与35S:DXS杂交仅高6.5倍。这些结果证明HDR在MEP途径最后一步催化IPP和DMAPP合成，对质体异戊二烯前体供应的代谢控制作用强于DXS，未来提高植物类胡萝卜素等质体异戊二烯产量需同时靶向多个途径步骤。
创新点
首次提供证据表明MEP途径末端酶HDR在植物质体异戊二烯前体供应中发挥关键调控作用，且其作用强于DXS；利用非天然异戊二烯紫杉二烯作为报告产物，定量比较HDR和DXS过表达对GGPP供应的贡献。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana, Columbia-7) | MEP途径/类胡萝卜素生物合成 | LeHDR | HMBPP还原酶 (HDR) | 催化 | 番茄HDR cDNA在拟南芥中组成型过表达；光下使主要叶绿体类胡萝卜素水平提高约50%，并延迟种子萌发 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana, Columbia-7) | MEP途径/类胡萝卜素生物合成 | AtHDR | HMBPP还原酶 (HDR) | 催化 | 幼苗去黄化过程中照光1h转录本加倍，6h达10倍，与β-胡萝卜素积累相关 |
| 番茄 (Lycopersicon esculentum, cv. Ailsa Craig) | MEP途径/类胡萝卜素生物合成 | LeHDR | HMBPP还原酶 (HDR) | 催化 | 果实成熟期HDR表达上调，与类胡萝卜素积累相关 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana, Columbia-3 × Columbia-7 F2) | 紫杉二烯生物合成 | TXS (来自Taxus baccata) | 紫杉二烯合酶 (TXS) | 催化 | 非天然质体异戊二烯报告产物；与HDR共表达时紫杉二烯含量为对照的13倍 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana, Columbia-3 × Columbia-7 F2) | MEP途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶 (DXS) | 催化 | 与TXS共表达时紫杉二烯含量为对照的6.5倍，效应弱于HDR |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana, Columbia-7) | 类胡萝卜素生物合成 | AtPSY | 八氢番茄红素合酶 (PSY) | 催化 | 去黄化早期与HDR和DXS共上调，但后期表达不再显著增加 |
关键发现
- 番茄果实成熟和拟南芥幼苗去黄化过程中，HDR基因表达与类胡萝卜素积累高度相关；拟南芥照光1h后HDR转录水平加倍，6h后达黄化苗的10倍，β-胡萝卜素在1h和6h分别升高2倍和近4倍。
- 拟南芥中组成型过表达番茄HDR（35S:LeHDR）使光下幼苗总类胡萝卜素水平提高约50%（LH13株系中β-胡萝卜素、叶黄素和紫黄质均升高约50%），并导致种子萌发延迟，提示ABA水平提高。
- 双转基因分析中，35S:TXS与35S:HDR杂交的F2幼苗紫杉二烯含量比只含TXS的对照高13倍，而35S:TXS与35S:DXS杂交仅高6.5倍；两种双转基因植物的类胡萝卜素均比对照高约50%。
研究结论
HDR（HMBPP还原酶）在MEP途径最后一步催化合成IPP和DMAPP，对质体异戊二烯前体供应和类胡萝卜素生物合成具有重要代谢控制作用，其效应强于DXS；未来提高植物类胡萝卜素等质体异戊二烯产量需要同时靶向多个步骤，包括HDR。