The Metabolic and Developmental Roles of Carotenoid Cleavage Dioxygenase4 from Potato
- 作者
- Raymond Campbell, Laurence J.M. Ducreux, Wayne L. Morris, Jenny A. Morris, Jeffrey C. Suttle, Gavin Ramsay, Glenn J. Bryan, Pete E. Hedley, Mark A. Taylor
- 单位
- Scottish Crop Research Institute, Invergowrie, Dundee DD2 5DA, United Kingdom; United States Department of Agriculture-Agricultural Research Service, Sugarbee and Potato Research Unit, Fargo, North Dakota 58105-5677
- 杂志
- Plant Physiology（2010）
- DOI
- 10.1104/pp.110.158733
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探究马铃薯CCD4(类胡萝卜素裂解双加氧酶4)活性是否影响块茎类胡萝卜素含量,阐明贮藏器官类胡萝卜素积累水平的调控机制
研究策略
通过序列同源搜索从马铃薯数据库鉴定CCD4基因,利用微阵列分析比较白肉与黄肉品种块茎中CCD4表达差异;构建含324 bp CCD4 cDNA片段的RNAi载体(pHellsgate8,CaMV 35S启动子),通过农杆菌介导转化获得稳定转基因马铃薯株系,并利用HPLC分析块茎及其他器官的类胡萝卜素含量与组成
核心内容
该研究通过序列同源搜索从马铃薯中鉴定出类胡萝卜素裂解双加氧酶4（CCD4）基因，并利用微阵列分析发现白肉品种块茎中CCD4表达量比黄肉品种高约5倍，提示其可能参与类胡萝卜素降解。研究者构建了含324 bp CCD4 cDNA片段的RNAi载体，通过农杆菌介导转化获得稳定转基因马铃薯株系。HPLC分析表明，下调CCD4表达可使块茎总类胡萝卜素含量提高2至5.6倍，最强株系达22.9 μg/g，而对照仅4.06 μg/g，增加主要来自紫黄质约4倍升高，同时新黄质、叶黄素、玉米黄质及类胡萝卜素酯也显著上升。RNAi株系叶片、茎和根中CCD4转录本降低达70%，但这些器官的类胡萝卜素含量无显著变化，而花瓣中类胡萝卜素显著升高。此外，33个RNAi株系中分别有17个和20个表现出链状块茎和早熟发芽表型，提示CCD4参与块茎热胁迫响应，但其反应产物与ABA无关。该研究首次证明类胡萝卜素降解而非合成是决定块茎类胡萝卜素积累水平的关键因素，CCD4可作为马铃薯营养强化的潜在靶点。
创新点
首次证明下调马铃薯CCD4表达可使块茎总类胡萝卜素含量提高达5.6倍,并发现CCD4参与块茎热胁迫响应(热发芽、链状块茎等表型);证实类胡萝卜素降解(而非合成)是决定块茎类胡萝卜素积累水平的关键因素之一
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 马铃薯 (Solanum tuberosum) cv Desiree | 类胡萝卜素代谢 | CCD4 | 类胡萝卜素裂解双加氧酶4 (Carotenoid Cleavage Dioxygenase4) | 催化 | 核心研究对象;RNAi下调表达使块茎总类胡萝卜素含量提高2-5.6倍,主要导致紫黄质积累;基因定位于8号染色体端粒区,预测N端含62个氨基酸质体靶向序列 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum) cv Desiree | 类胡萝卜素降解 | CCD4-RNAi构建体(pHellsgate8) | — | 调控 | 含324 bp CCD4 cDNA片段,由CaMV 35S启动子驱动,通过RNAi组成型沉默CCD4基因 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum) | 类胡萝卜素生物合成 | bch (crtRB-2) | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | Y位点候选基因,与块茎黄/白肉色及类胡萝卜素含量变异相关,但非本研究的直接操作对象 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum) cv Desiree | ABA生物合成 | NCEDs | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶 | 催化 | 以9-顺式紫黄质等为底物合成ABA前体黄质醛;RNAi株系块茎ABA含量无显著差异,排除ABA介导表型 |
关键发现
- 成熟块茎中白肉品种(Tuberosum cv Desiree和cv Maris Piper)的CCD4表达量比黄肉品种(Phureja 333-16和Mayan Gold)高约5倍;RNAi下调CCD4使块茎总类胡萝卜素含量提高2-5.6倍(最强株系line 15达22.9 μg/g,对照仅4.06 μg/g);类胡萝卜素增加主要来自紫黄质(violaxanthin)约4倍升高(line 15为8.88,对照为2.05),同时新黄质(1.07 vs
- 33)、叶黄素(4.59 vs
- 48)、玉米黄质(0.16 vs
- 01)及类胡萝卜素酯(6.52 vs
- 93)也显著升高;RNAi株系叶片、茎、根中CCD4转录本降低达70%,但这些器官类胡萝卜素含量无显著变化;花瓣类胡萝卜素显著升高(line 15为452.8 vs 野生型78.4);33个RNAi株系中17个表现出链状块茎、20个表现出收获时早熟发芽表型,对照组无此现象;RNAi微型薯中ABA含量与野生型无显著差异;CCD4基因定位于马铃薯8号染色体端粒区,预测蛋白N端含62个氨基酸的质体靶向序列
研究结论
马铃薯CCD4活性是决定块茎类胡萝卜素积累水平的关键因素,下调其表达可显著提高块茎类胡萝卜素含量(主要为紫黄质),且不影响类胡萝卜素合成基因表达;CCD4还可能参与块茎热胁迫响应,其反应产物与温度感知有关。CCD4可作为马铃薯营养强化和类胡萝卜素代谢工程的潜在靶点