Manipulation of a senescence-associated gene improves fleshy fruit yield
- 作者
- Bruno S. Lira, Giovanna Gramegna, Bruna A. Trencha, Frederico R.R. Alves, Eder M. Silva, Geraldo F.F. Silva, Venkatesh P. Thirumalaikumara, Alessandra C.D. Lupi, Diego Demarco, Eduardo Purgatto, Fabio T.S. Nogueira, Salma Balazadeh, Luciano Freschi, Magdalena Rossi
- 单位
- Departamento de Botânica, Instituto de Biociências, Universidade de São Paulo, Rua do Matão, 277, 05508-090, São Paulo, Brasil; Departamento de Ciências Biológicas, Escola Superior de Agricultura 'Luiz de Queiroz', Universidade de São Paulo, Avenida Pádua Dias, 11, 13418-900, Piracicaba, Brasil; Plant Signaling Group, Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology, 14476 Potsdam-Golm, Germany; Departamento de Alimentos e Nutrição Experimental, Faculdade de Ciências Farmacêuticas, Universidade de São Paulo, Avenida Prof. Lineu Prestes, 580, 05508-000, São Paulo, Brasil
- 杂志
- Plant Physiology（2017）
- DOI
- 10.1104/pp.17.00452
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在肉质果实作物（番茄）中，叶片衰老的遗传调控是否能够延长光合作用活跃期、增加源器官碳输出，并最终提高果实产量和营养品质，尚不清楚。
研究策略
通过系统发育分析在番茄中鉴定出三个拟南芥ORE1直系同源基因（SIORE1S02、SIORE1S03、SIORE1S06），并对其衰老诱导响应、SlmiR164调控、与SIGLK蛋白互作及Atore1突变体互补能力进行功能表征；随后选择SIORE1S02进行RNAi敲低，评估转基因番茄在光合作用、碳水化合物分配、类异戊二烯代谢及产量等方面的表型。
核心内容
在番茄中系统鉴定出三个拟南芥ORE1直系同源基因SIORE1S02、SIORE1S03和SIORE1S06，三者均受乙烯、黑暗、茉莉酸、水杨酸或盐等衰老信号诱导上调表达，且都受SlmiR164调控并与SIGLK1、SIGLK2蛋白在细胞核中发生物理互作，能部分恢复Atore1突变体的衰老延迟表型。通过RNAi敲低SIORE1S02，转基因番茄表现出明显延迟衰老：成熟叶片叶绿素含量、叶绿体数目和SIGLK1转录水平升高，暗诱导条件下离体叶片维持绿色。敲低株系成熟期叶片净碳同化速率显著高于对照，叶片和果实中淀粉、蔗糖、葡萄糖、果糖含量增加，果实数目和收获指数显著提高，果实可溶性固形物（Brix）升高，生育酚含量也在果实成熟过程中增加。该研究首次在肉质果实作物中证明，通过延迟叶片衰老可有效延长光合活跃期、增强源器官碳输出，从而显著提升果实产量和营养价值，为果蔬作物的代谢工程改良提供了可行策略。
创新点
首次在肉质果实作物中证明通过延迟叶片衰老可以有效提高果实产量与营养品质；鉴定了三个番茄ORE1同源基因并揭示了其受miR164调控及与GLK蛋白互作的机制；发现SIORE1S02敲低不仅增加果实数量和收获指数，还提升果实可溶性固形物和生育酚含量。
研究对象（20）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Solanum lycopersicum | 叶片衰老调控 | SIORE1S02 | SIORE1S02 | 调控 | NAC转录因子，RNAi敲低延迟衰老并提高产量 |
| Solanum lycopersicum | 叶片衰老调控 | SIORE1S03 | SIORE1S03 | 调控 | NAC转录因子，受SlmiR164直接调控 |
| Solanum lycopersicum | 叶片衰老调控 | SIORE1S06 | SIORE1S06 | 调控 | NAC转录因子，受SlmiR164直接调控 |
| Solanum lycopersicum | 叶绿体发育/维持 | SIGLK1 | SIGLK1 | 调控 | GOLDEN2-LIKE转录因子，维持叶绿体功能 |
| Solanum lycopersicum | 果实叶绿体发育 | SIGLK2 | SIGLK2 | 调控 | 果实特异性表达的GOLDEN2-LIKE转录因子 |
| Solanum lycopersicum | 衰老调控/基因沉默 | SlmiR164 | — | 调控 | microRNA，直接切割SIORE1S03/S06，间接调控SIORE1S02 |
| Solanum lycopersicum | 衰老标志 | SISAG12 | SAG12 | 催化 | 衰老相关半胱氨酸蛋白酶，作为衰老标志基因 |
| Solanum lycopersicum | 叶绿素合成 | SICHLG | CHLG | 催化 | 叶绿素合酶，参与叶绿素生物合成 |
| Solanum lycopersicum | 叶绿素降解/循环 | SIPPHL1 | PPHL1 | 催化 | 脱镁叶绿素酶类似蛋白1，参与叶绿素降解/循环 |
| Solanum lycopersicum | 生育酚合成/叶绿素降解 | SIVTE5 | VTE5 | 催化 | 植醇激酶，为生育酚合成提供侧链前体 |
| Solanum lycopersicum | 生育酚合成 | SIVTE6 | VTE6 | 催化 | 植醇磷酸激酶 |
| Solanum lycopersicum | 类胡萝卜素合成 | SIPSY1 | PSY1 | 催化 | 八氢番茄红素合酶1 |
| Solanum lycopersicum | 类胡萝卜素合成 | SIPDS | PDS | 催化 | 八氢番茄红素脱饱和酶 |
| Solanum lycopersicum | 生育酚/叶绿素合成 | SIGGDR | GGDR | 催化 | 牻牛儿基牻牛儿基二磷酸还原酶，提供植醇二磷酸前体 |
| Solanum lycopersicum | 生育酚合成 | SIVTE1 | VTE1 | 催化 | 生育酚环化酶 |
| Solanum lycopersicum | 生育酚合成 | SIVTE2 | VTE2 | 催化 | 尿黑酸植醇转移酶 |
| Solanum lycopersicum | 生育酚合成 | SIVTE3 | VTE3 | 催化 | 2,3-二甲基-5-植醇氢醌甲基转移酶 |
| Solanum lycopersicum | 生育酚合成 | SIVTE4 | VTE4 | 催化 | 生育酚C-甲基转移酶 |
| Arabidopsis thaliana | 叶片衰老调控 | AtORE1 | ORE1 | 调控 | 拟南芥衰老主调控NAC转录因子，用于互补实验 |
| Arabidopsis thaliana | 叶绿体发育 | AtGLK2 | GLK2 | 调控 | BiFC阳性对照 |
关键发现
- ['在番茄基因组中鉴定出三个AtORE1直系同源基因SIORE1S02、SIORE1S03和SIORE1S06，三者均受乙烯、黑暗、茉莉酸、水杨酸或盐等衰老诱导处理上调表达。', 'SlmiR164可直接切割SIORE1S03和SIORE1S06转录本，并间接调控SIORE1S02
- OEmiR164a转基因番茄中SIORE1S03和SIORE1S06显著下调，且衰老延迟。', 'SIORE1S02、SIORE1S03、SIORE1S06均与SIGLK1、SIGLK2在细胞核中发生物理互作，且都能部分恢复拟南芥Atore1突变体的衰老延迟表型。', 'SIORE1S02-RNAi敲低番茄植株表现出延迟衰老：成熟叶片叶绿素含量、叶绿体数目和SIGLK1转录水平升高，SISAG12表达降低
- 暗诱导衰老条件下离体叶片保持绿色。', '敲低株系成熟植株叶片净碳同化速率（A）显著高于对照，叶片和果实中淀粉、蔗糖、葡萄糖、果糖含量增加，果实数目和收获指数显著提高，果实可溶性固形物（Brix）升高。', '敲低株系果实成熟过程中生育酚（维生素E）含量升高，而成熟叶片生育酚含量降低
- 类胡萝卜素含量基本不变，仅个别中间产物（如neurosporene和叶黄素）出现轻微下降。', '结果表明，通过操控SIORE1S02介导的叶片衰老可以显著改善肉质果实的产量和营养价值。']
研究结论
通过RNAi敲低番茄SIORE1S02可延迟叶片衰老，延长光合作用时间，增强碳同化并向果实输出，从而显著增加果实数量、收获指数、可溶性固形物及生育酚含量。本研究为肉质果实作物的产量改良提供了有效策略。