The formation and sequestration of non-endogenous ketocarotenoids in transgenic Nicotiana glauca
- 作者
- Cara L. Mortimer, Norihiko Misawa, Laura Perez-Fons, Francesca P. Robertson, Hisashi Harada, Peter M. Bramley, Paul D. Fraser
- 单位
- School of Biological Sciences, Royal Holloway University of London, Egham Hill, Egham, Surrey TW20 0EX, UK
- 杂志
- Plant Physiology（2017）
- DOI
- 10.1104/pp.16.01297
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在具有生物精炼潜力的烟草树（Nicotiana glauca）中生产高价值非内源性酮类胡萝卜素（如虾青素、角黄素），并阐明其积累与亚细胞区室化机制。
研究策略
将来源于Brevundimonas sp. SD-212的crtW（β-胡萝卜素酮化酶）和crtZ（3,3'β-羟化酶）基因经密码子优化后，在组成型启动子驱动下转化N. glauca，通过HPLC、质谱、亚细胞分级、电子显微镜及代谢组学分析表征转基因植株。
核心内容
该研究在具有生物精炼潜力的烟草树（Nicotiana glauca）中表达了来源于Brevundimonas sp. SD-212的β-胡萝卜素酮化酶基因crtW和3,3'β-羟化酶基因crtZ，成功实现了多种非内源性酮类胡萝卜素（如虾青素、角黄素）的显著积累。转基因植株叶片和花中总类胡萝卜素含量约为0.5%干重，其中非内源性酮/羟基类胡萝卜素在叶和花中分别占0.3%和0.48%，花瓣中的酮类胡萝卜素占比高达78%–82%。研究通过HPLC、质谱及亚细胞分级发现，异源酮类胡萝卜素主要储存于质体小球中，质体小球类胡萝卜素含量增加5–25倍，八氢番茄红素增加50–100倍，同时LHCII三聚体减少50%，Fv/Fm降至野生型的50%。此外还鉴定出一种新的酮类胡萝卜素——3-羟基海胆烯酮环氧化物。该研究首次在N. glauca中实现多种高价值酮类胡萝卜素的积累，表明植物通过将非内源性类胡萝卜素螯合到质体小球并调整超微结构来适应异源代谢产物，整体代谢组扰动有限，证实N. glauca可作为生产高附加值化合物的生物精炼原料。
创新点
首次在N. glauca中实现多种非内源性酮类胡萝卜素的显著积累；发现酮类胡萝卜素主要储存于质体小球而非光合复合体；鉴定了一种新的酮类胡萝卜素（3-羟基海胆烯酮环氧化物）；揭示植物细胞通过改变质体超微结构适应异源产物的积累。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nicotiana glauca（烟草树） | 类胡萝卜素合成途径 | crtW | CRTW | 催化 | 来源于Brevundimonas sp. SD-212的β-胡萝卜素4,4'酮化酶 |
| Nicotiana glauca（烟草树） | 类胡萝卜素合成途径 | crtZ | CRTZ | 催化 | 来源于Brevundimonas sp. SD-212的3,3'β-羟化酶 |
关键发现
- 转基因N. glauca叶片和花中总类胡萝卜素约0.5%干重，其中非内源性酮/羟基类胡萝卜素在叶和花中分别占0.3%和0.48%
- 酮类胡萝卜素占叶片总类胡萝卜素的2%-55%，花瓣中占78-82%，其中酯化形式占51-61%
- 子房和花蜜组织总类胡萝卜素增加4-6.3倍
- β-胡萝卜素未显著降低，八氢番茄红素增加达20倍
- lutein、zeaxanthin、violaxanthin分别降低4、50、3倍
- 转基因质体小球类胡萝卜素含量增加5-25倍，八氢番茄红素增加50-100倍
- LHCII三聚体减少50%，Fv/Fm降至野生型的50%。
研究结论
表达Brevundimonas crtW/crtZ的N. glauca能够积累多种高价值酮类胡萝卜素，植物通过将非内源性类胡萝卜素螯合到质体小球并调整超微结构来适应代谢变化，整体代谢组扰动有限，表明植物代谢具有鲁棒性，N. glauca可作为生物精炼原料生产高附加值化合物。