Increased Resistance to Oxidative Stress in Transgenic Plants by Targeting Mannitol Biosynthesis to Chloroplasts
- 作者
- Bo Shen, Richard G. Jensen, Hans J. Bohnert
- 单位
- Department of Plant Sciences, The University of Arizona; Department of Biochemistry, The University of Arizona; Department of Molecular and Cellular Biology, The University of Arizona
- 杂志
- Plant Physiology（1997）
- DOI
- 10.1104/pp.113.4.1177
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探究甘露醇在氧化胁迫保护中的作用，以及将甘露醇生物合成靶向叶绿体是否能在体内增强植物对氧化胁迫的抗性。
研究策略
将大肠杆菌的甘露醇-1-磷酸脱氢酶基因（mtlD）与豌豆RbcS转运肽融合，靶向叶绿体表达，获得在叶绿体中积累甘露醇的转基因烟草；利用甲基紫精（MV）诱导氧化胁迫，比较转基因与野生型在叶绿素保留、CO2固定及羟基自由基清除能力上的差异。
核心内容
研究人员将大肠杆菌甘露醇-1-磷酸脱氢酶基因（mtlD）与豌豆RbcS转运肽融合，构建了甘露醇生物合成靶向叶绿体的转基因烟草。在甲基紫精诱导的氧化胁迫下，转基因植株叶绿体积累甘露醇浓度约100 mM，叶片甘露醇含量达2.5至7 μmol/g鲜重。经2 μM甲基紫精处理，转基因品系BS1-31的叶绿素保留率显著高于野生型，100 μM处理下其分离叶肉细胞的CO2固定速率也优于野生型。利用二甲亚砜作为羟基自由基探针，BS1-31细胞中甲基亚磺酸初始形成速率显著低于野生型，证明叶绿体定位的甘露醇有效增强了体内羟基自由基清除能力，且转基因植株正常表型和光合速率未受影响。结果表明，将甘露醇合成靶向叶绿体可在体内作为羟基自由基清除剂，补充内源抗氧化机制，显著提高植物对氧化胁迫的耐受性，为增强作物抗逆性提供了有效策略。
创新点
首次将甘露醇生物合成靶向叶绿体，证明叶绿体定位的甘露醇可作为体内羟基自由基清除剂，增强植物对氧化胁迫的耐受性，且不影响正常表型和光合速率。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草（Nicotiana tabacum var. SR-1） | 甘露醇生物合成 | mtlD | 甘露醇-1-磷酸脱氢酶 | 催化 | 来自大肠杆菌，催化果糖-6-磷酸转化为甘露醇-1-磷酸，后者由内源磷酸酶转化为甘露醇。 |
| 烟草（Nicotiana tabacum var. SR-1） | 叶绿体蛋白靶向 | 豌豆RbcS3A基因的转运肽序列 | Rubisco小亚基转运肽 | 区室化 | 用于将甘露醇-1-磷酸脱氢酶引导至叶绿体。 |
关键发现
- 转基因烟草叶片甘露醇含量为2.5-7 μmol/g鲜重
- BS1-31系叶绿体甘露醇浓度约100 mM
- 在2 μM MV处理下，BS1-31叶片叶绿素保留显著高于野生型（P=0.01）
- 在100 μM MV下，分离的BS1-31叶肉细胞CO2固定速率高于野生型
- 以DMSO为探针，BS1-31细胞中MSA初始形成速率显著低于野生型，表明羟基自由基清除能力增强
- 300 mM DMSO下，MV使两系的羟基自由基产量均增加约2倍。
研究结论
叶绿体定位的甘露醇可以补充内源自由基清除机制，通过清除羟基自由基减少氧化损伤，从而提高转基因烟草对氧化胁迫的抗性。