The Cauliflower Or Gene Encodes a DnaJ Cysteine-Rich Domain-Containing Protein That Mediates High Levels of β-Carotene Accumulation
- 作者
- Shan Lu, Joyce Van Eck, Xiangjun Zhou, Alex B. Lopez, Diana M. O'Halloran, Kelly M. Cosman, Brian J. Conlin, Dominick J. Paolillo, David F. Garvin, Julia Vrebalov, Leon V. Kochian, Hendrik Kupper, Elizabeth D. Earle, Jun Cao, Li Li
- 单位
- USDA-ARS Plant, Soil, and Nutrition Laboratory, Cornell University; Department of Plant Biology, Cornell University; Boyce Thompson Institute for Plant Research, Cornell University; USDA-ARS Plant Science Research Unit, University of Minnesota; Department of Plant Breeding and Genetics, Cornell University
- 杂志
- The Plant Cell（2006）
- DOI
- 10.1105/tpc.106.046417
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物类胡萝卜素积累的调控机制尚不清楚，需要鉴定调控整体类胡萝卜素积累的关键基因。
研究策略
利用花椰菜Or突变体，通过图位克隆分离Or基因，并通过功能互补、RNA干扰、亚细胞定位、细胞学分析和跨物种转基因验证其功能。
核心内容
该研究通过图位克隆策略从花椰菜Or突变体中分离出调控类胡萝卜素积累的关键基因Or，发现其编码一个含DnaJ Cys-rich锌指结构域的质体定位蛋白。突变由4.7 kb copia样反转座子插入外显子3引起，产生多种可变剪接转录本。功能互补和RNA干扰实验证实Or基因对类胡萝卜素积累的调控作用，而亚细胞定位显示OR蛋白定位于非绿色质体及淀粉体分裂位点。在转基因马铃薯中块茎特异表达Or使总类胡萝卜素含量提高6倍并出现β-胡萝卜素积累，证明Or可作为跨物种遗传工具。研究揭示Or基因通过诱导前质体或非绿色质体分化为有色体，增强类胡萝卜素沉积能力，为通过代谢库调控策略提升作物营养品质提供了新途径。
创新点
首次克隆了Or基因并证明其编码含DnaJ Cys-rich结构域的质体相关蛋白；揭示Or通过触发非绿色质体分化为有色体形成类胡萝卜素沉积的代谢库；证明Or可作为跨物种的遗传工具提高作物类胡萝卜素含量。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 花椰菜（Brassica oleracea var botrytis） | 类胡萝卜素生物合成途径 | Or | ORwT（含DnaJ Cys-rich结构域蛋白） | 调控 | Or突变导致β-胡萝卜素在白色花球、顶端分生组织等组织积累，突变由4.7 kb LTR反转座子插入外显子3引起 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum） | 类胡萝卜素生物合成途径 | Or | OR蛋白 | 调控 | 块茎特异表达Or使总类胡萝卜素含量提高6倍，产生橙黄色块茎和β-胡萝卜素积累 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素生物合成途径（相关） | or-GFP（融合基因） | ORwT-GFP融合蛋白 | 调控 | ORwT定位于非绿色质体（白色体、淀粉体）及质体分裂位点；ProOr-GUS显示Or在富含前质体的组织高表达 |
| 花椰菜（Brassica oleracea var botrytis） | 有色体分化 | BoPftf | Pftf同源蛋白 | 转运 | Or突变体中BoPftf表达升高，该基因参与有色体分化中的囊泡融合/膜蛋白转运过程 |
关键发现
- 野生型or cDNA编码含305个氨基酸、分子量约33.5 kD的蛋白质，含DnaJ Cys-rich锌指结构域
- Or突变由4.7 kb copia样LTR反转座子插入exon 3引起，产生三种可变剪接转录本，其中OrDel最丰富
- or RNAi转基因株系中or转录水平降至野生型的7%至43%，但未出现突变表型
- 转基因马铃薯块茎特异表达Or后总类胡萝卜素含量提高6倍，并出现β-胡萝卜素积累
- Or基因定位于0.3 cM/50 kb区间
- 杂合Or花椰菜花球直径15-20 cm，纯合突变体仅3-5 cm
- ORwT-GFP定位于非绿色质体和淀粉体分裂位点
- Or突变体中BoPftf表达量升高。
研究结论
Or基因编码的蛋白通过诱导前质体或非绿色质体分化为有色体，增强类胡萝卜素的沉积能力，从而促进β-胡萝卜素积累；Or可作为跨物种的调控工具，结合合成途径基因工程策略提高重要农作物中的类胡萝卜素营养品质。