Regulation of Two Carotenoid Biosynthesis Genes Coding for Phytoene Synthase and Carotenoid Hydroxylase during Stress-Induced Astaxanthin Formation in the Green Alga Haematococcus pluvialis
- 作者
- Jens Steinbrenner, Hartmut Linden
- 单位
- Lehrstuhl für Physiologie und Biochemie der Pflanzen, Universität Konstanz, D-78457 Konstanz, Germany
- 杂志
- Plant Physiology（2001）
- DOI
- 10.1104/pp.125.2.810
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析雨生红球藻在环境胁迫下虾青素积累的分子调控机制，重点关注八氢番茄红素合酶和胡萝卜素羟化酶两个关键基因在转录水平的调控规律
研究策略
分离八氢番茄红素合酶基因并通过大肠杆菌功能互补验证；利用Northern blot分析不同胁迫条件（高光、盐、乙酸钠、氧化剂、抑制剂）下两个关键酶基因的mRNA稳态水平变化，结合虾青素定量和细胞形态观察，解析转录调控与虾青素积累的关系
核心内容
该研究克隆了雨生红球藻的八氢番茄红素合酶基因（psy，AF305430），并通过大肠杆菌功能互补验证其催化活性，在约七万个菌落中筛得三个黄色菌落，证实该基因可异源合成类胡萝卜素。进一步利用Northern blot分析了高光、盐、乙酸钠等不同胁迫条件下psy与胡萝卜素羟化酶基因的mRNA稳态水平变化。结果显示，乙酸钠加高铁并辅以高光时，两个基因的转录显著上调，72小时虾青素积累达13.5±0.5 mg/g干重，超过80%的细胞形成包囊；而低光下诱导延迟，虾青素仅积累4.7–5.7 mg/g，包囊率约25%。单独高光仅引起瞬时表达，积累约6.1 mg/g。甲基紫精等ROS产生剂不改变转录诱导模式，表明ROS不参与该调控；环己酰亚胺处理不影响基因诱导但使虾青素降至0.4 mg/g，说明转录上调不依赖新蛋白合成；DCMU抑制光合电子传递后转录上调被消除，提示光诱导受光合作用控制。研究表明，高光与盐胁迫的协同作用通过光合电子传递驱动类胡萝卜素基因的持续强表达，是虾青素高水平积累的关键。
创新点
首次克隆了雨生红球藻的八氢番茄红素合酶基因（AF305430）；发现这两个类胡萝卜素合成基因在胁迫下差异转录调控，并证明ROS不参与该转录调控，且基因诱导不依赖从头蛋白合成，而受光合电子传递控制
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成（虾青素） | psy | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 分离自雨生红球藻，登录号AF305430，催化两分子GGPP缩合生成八氢番茄红素 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成（虾青素） | carotenoid hydroxylase gene | 胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 催化β-胡萝卜素羟化生成虾青素的后期步骤，本文研究其转录调控 |
| Escherichia coli | 异源类胡萝卜素生物合成 | psy (来自H. pluvialis) | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 通过功能互补验证基因功能，与pACCAR25ΔcrtB共转化产生玉米黄质，与pACCrtE共转化积累八氢番茄红素 |
关键发现
- 在乙酸钠+FeSO4+高光诱导下，phytoene synthase和carotenoid hydroxylase的mRNA水平显著上升，72 h虾青素积累达13.5 ±
- 5 mg g-1干重，>80%细胞形成包囊
- 低光下诱导延迟，虾青素积累仅4.7-5.7 mg g-1，包囊率约25%
- 单独高光诱导呈瞬时表达，虾青素约6.1 mg g-1，包囊率<10%
- 乙酸钠或NaCl加高光分别积累9.5和7.8 mg g-1，包囊率>80%
- 甲基紫精和Fe2+等ROS产生剂不影响两者的转录诱导模式，说明ROS不参与转录调控
- 环己酰亚胺预处理不影响基因诱导，但虾青素积累降至0.4 mg g-1，包囊<10%，说明基因诱导不依赖新蛋白合成
- DCMU抑制光合电子传递后，高光诱导的转录上调被消除，说明光诱导受光合作用调控
- 在大肠杆菌中功能互补，约70,000个菌落中筛到3个黄色菌落，证实克隆的psy基因具有催化活性，可产生玉米黄质或八氢番茄红素
研究结论
雨生红球藻通过差异调控类胡萝卜素生物合成基因的mRNA稳态水平来响应不同胁迫条件：高光单独作用仅引起瞬时、温和的响应和中等虾青素积累；高光与盐胁迫组合才能导致两个基因的持续强表达、包囊形成及高水平的虾青素积累。该转录上调不依赖从头蛋白合成，但受光合电子传递控制。