The citrus transcription factor CsMADS6 modulates carotenoid metabolism by directly regulating carotenogenic genes
- 作者
- Suwen Lu, Yin Zhang, Kaijie Zhu, Wei Yang, Junli Ye, Lijun Chai, Qiang Xu, Xiuxin Deng
- 单位
- Key Laboratory of Horticultural Plant Biology (Ministry of Education), Huazhong Agricultural University, Wuhan, China
- 杂志
- Plant Physiology（2018）
- DOI
- 10.1104/pp.17.01830
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
类胡萝卜素生物合成基因的转录调控机制尚不清楚，尤其是番茄红素β-环化酶（LCYb）基因的转录调控。
研究策略
以LCYb1启动子为诱饵进行酵母单杂交筛选，从甜橙果实cDNA文库中鉴定到MADS转录因子CsMADS6；通过亚细胞定位、转录激活分析、EMSA和双荧光素酶实验验证其直接结合并激活靶基因启动子；在柑橘愈伤和番茄中异源过表达，结合转录组分析揭示其调控网络。
核心内容
该研究以甜橙果实为材料，针对类胡萝卜素生物合成关键基因LCYb1的转录调控机制不明这一核心问题，采用酵母单杂交从果实cDNA文库中筛选出MADS转录因子CsMADS6。通过亚细胞定位、转录激活分析、EMSA和双荧光素酶实验，证实CsMADS6直接结合并激活LCYb1、PSY、PDS、CCD1等多个类胡萝卜素代谢基因的启动子。在柑橘愈伤中过表达CsMADS6使violaxanthin含量显著提高，PSY、PDS和CCD1表达分别上调4倍、12倍和2倍；在转基因番茄萼片中，PSY表达约为野生型的100倍，lycopene积累明显增加而lutein与β-carotene减少。转录组分析在转基因萼片中鉴定到4435个差异表达基因，表明CsMADS6可重编程代谢网络、引导代谢流向类胡萝卜素合成。该结果首次揭示了AGAMOUS-like MADS转录因子在非跃变型果实类胡萝卜素积累中的协调正调控作用，为利用转录因子工程改良作物营养品质提供了可行策略。
创新点
['首次鉴定到CsMADS6直接结合并激活LCYb1、PSY、PDS、CCD1等多个类胡萝卜素代谢基因的启动子，实现协调正调控', '揭示了AGAMOUS-like MADS转录因子在柑橘非跃变型果实类胡萝卜素积累中的作用', '发现CsMADS6能重编程转录网络，引导代谢流向类胡萝卜素合成']
研究对象（21）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 甜橙（Citrus sinensis）果实 | 类胡萝卜素生物合成 | LCYb1 | LCYb1 | 催化 | 番茄红素β-环化酶，CsMADS6的直接靶标，启动子含有CArG元件 |
| 甜橙（Citrus sinensis）果实 | 类胡萝卜素生物合成 | CsMADS6 | CsMADS6 | 调控 | MADS-box转录因子，属于AGAMOUS-like亚家族，直接结合靶基因启动子并激活转录 |
| 柑橘愈伤组织 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | PSY | 催化 | 八氢番茄红素合成酶，过表达CsMADS6使其表达上调4倍 |
| 柑橘愈伤组织 | 类胡萝卜素生物合成 | PDS | PDS | 催化 | 八氢番茄红素脱饱和酶，上调12倍 |
| 柑橘愈伤组织 | 类胡萝卜素生物合成 | CCD1 | CCD1 | 催化 | 类胡萝卜素裂解双加氧酶，上调2倍，启动子被CsMADS6激活约7倍 |
| 柑橘愈伤组织 | 类胡萝卜素生物合成 | CRTISO | CRTISO | 催化 | 类胡萝卜素异构酶，表达上调 |
| 柑橘愈伤组织 | 类胡萝卜素生物合成 | LCYb2 | LCYb2 | 催化 | 另一个番茄红素β-环化酶，表达上调 |
| 柑橘愈伤组织 | 类胡萝卜素生物合成 | HYD | HYD | 催化 | β-胡萝卜素羟化酶，表达上调 |
| 柑橘愈伤组织 | 类胡萝卜素生物合成 | LCYe | LCYe | 催化 | 番茄红素ε-环化酶，表达被抑制 |
| 柑橘愈伤组织 | 类胡萝卜素生物合成 | ZEP | ZEP | 催化 | 玉米黄质环氧酶，表达无显著变化 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | LCYb1 | LCYb1 | 催化 | 在果皮中显著上调，在萼片中下调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | PSY | 催化 | 在萼片中表达约为野生型100倍 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | CYCB | CYCB | 催化 | 番茄中第二个功能LCYb基因，在果皮中上调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | BCH | BCH | 催化 | β-胡萝卜素羟化酶，在果皮中上调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | ECH | ECH | 催化 | ε-胡萝卜素羟化酶，在果皮中上调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | CCD1 | CCD1 | 催化 | 在果皮和萼片中均上调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | NCED | NCED | 催化 | 在萼片中显著下调，减少类胡萝卜素降解 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | D27 | D27 | 催化 | β-胡萝卜素异构酶，在萼片中下调 |
| 柑橘愈伤组织 | 类胡萝卜素生物合成 | HY5 | HY5 | 调控 | 在过表达CsMADS6的愈伤中显著上调，可能间接促进PSY表达 |
| 柑橘愈伤组织 | 类胡萝卜素生物合成 | PIF1 | PIF1 | 调控 | 在过表达CsMADS6的愈伤中显著下调 |
| 柑橘愈伤组织 | 类胡萝卜素生物合成 | RAP2.2 | RAP2.2 | 调控 | 在过表达CsMADS6的愈伤中显著上调 |
关键发现
- CsMADS6编码257个氨基酸蛋白，分子量29.64 kDa，pI 9.37
- 在柑橘愈伤中过表达CsMADS6使violaxanthin含量显著升高，总类胡萝卜素增加
- PSY、PDS和CCD1表达分别上调4倍、12倍和2倍
- 在转基因番茄萼片中，PSY表达约为野生型的100倍，lycopene积累显著增加，lutein和β-carotene显著减少
- 双荧光素酶实验显示CsMADS6激活CCD1启动子约7倍
- RNA-seq分析在转基因萼片与野生型萼片比较中鉴定到4435个差异表达基因，与野生型果皮比较中鉴定到2983个差异表达基因。
研究结论
CsMADS6直接调控LCYb1及其他类胡萝卜素合成基因（PSY、PDS、CCD1），协调正调控植物类胡萝卜素代谢，并重编程多种代谢通路以促进类胡萝卜素积累，为改善作物营养品质提供了策略。