Isolation and Characterization of the Z-ISO Gene Encoding a Missing Component of Carotenoid Biosynthesis in Plants
- 作者
- Yu Chen, Faqiang Li, Eleanore T. Wurtzel
- 单位
- Department of Biological Sciences, Lehman College, City University of New York, Bronx, New York 10468; Graduate School and University Center, City University of New York, New York, New York 10016-4309
- 杂志
- Plant Physiology（2010）
- DOI
- 10.1104/pp.110.153916
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物类胡萝卜素生物合成途径中缺失的15-顺式-ζ-胡萝卜素异构酶（Z-ISO）基因的分离与功能鉴定，填补了由八氢番茄红素转化为番茄红素过程中异构化步骤的空白。
研究策略
通过玉米和拟南芥突变体筛选与图位克隆分离Z-ISO基因，利用大肠杆菌异源表达系统进行功能互补验证，结合比较基因组学和系统发育分析揭示其进化起源。
核心内容
研究人员通过玉米和拟南芥突变体筛选与图位克隆，分离并鉴定了植物类胡萝卜素生物合成途径中缺失的Z-ISO基因。该基因编码15-顺式-ζ-胡萝卜素异构酶，催化9,15,9'-三顺式-ζ-胡萝卜素的15-顺式双键异构化，生成9,9'-二顺式-ζ-胡萝卜素，填补了八氢番茄红素转化为番茄红素过程中的关键空白。大肠杆菌异源表达实验证实，AtZ-ISO1.1和ZmZ-ISO均具有酶活，能使三顺式异构体比例分别降至8.91%和6.09%，而截短突变体及细菌NnrU无活性。玉米y9突变体黄化叶片中三顺式异构体占92.05%，光照12小时后降至2.62%，表明Z-ISO在光照和黑暗条件下均发挥功能。拟南芥zic突变体总类胡萝卜素降至野生型的71%~82%。系统发育分析显示，植物Z-ISO由反硝化细菌的NnrU基因进化而来，揭示了该途径的演化机制。该研究不仅补充了类胡萝卜素合成途径的缺失环节，还为作物类胡萝卜素营养改良提供了新靶点。
创新点
首次克隆并功能验证了Z-ISO基因；证明Z-ISO催化9,15,9'-三顺式-ζ-胡萝卜素的15-顺式双键异构化；发现Z-ISO由细菌反硝化相关NnrU基因进化而来，揭示植物类胡萝卜素生物合成途径的进化机制。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 玉米（Zea mays） | 类胡萝卜素生物合成 | Y9/ZmZ-ISO | Z-ISO（15-顺式-ζ-胡萝卜素异构酶） | 催化 | y9突变体在黄化叶中积累9,15,9'-三顺式-ζ-胡萝卜素 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素生物合成 | At1g10830 (AtZ-ISO) | Z-ISO | 催化 | zic1-1和zic1-2突变体延迟绿化，类胡萝卜素和叶绿素含量降低 |
| Escherichia coli XL1-Blue（pACCERT-EBP） | 类胡萝卜素生物合成 | AtZ-ISO1.1 | Z-ISO | 催化 | 功能互补：将9,15,9'-三顺式-ζ-胡萝卜素转化为9,9'-二顺式-ζ-胡萝卜素 |
| Escherichia coli XL1-Blue（pACCERT-EBP） | 类胡萝卜素生物合成 | ZmZ-ISO | Z-ISO | 催化 | 功能互补：异源表达显示异构酶活性，效率高于AtZ-ISO1.1 |
| 玉米（Zea mays） | 类胡萝卜素生物合成 | PDS (phytoene desaturase) | 八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 催化15-顺式八氢番茄红素生成9,15,9'-三顺式-ζ-胡萝卜素，即Z-ISO的底物 |
| 玉米（Zea mays） | 类胡萝卜素生物合成 | ZDS (zeta-carotene desaturase) | ζ-胡萝卜素脱饱和酶 | 催化 | 以9,9'-二顺式-ζ-胡萝卜素为底物 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素生物合成 | PSY (phytoene synthase) | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 催化类胡萝卜素途径的限速步骤 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素生物合成 | CrtISO | 胡萝卜素异构酶 | 催化 | 异构化7,9和7',9'顺式双键，不作用于15-顺式双键 |
| Sinorhizobium meliloti 1021 | 反硝化 | NnrU | NnrU（亚硝酸盐和一氧化氮还原酶U） | 调控 | Z-ISO的进化祖先，在反硝化细菌中为NOR操纵子成员，本身无Z-ISO异构酶活性 |
关键发现
- Z-ISO基因（拟南芥At1g10830、玉米Y9/ZmZ-ISO）编码15-顺式-ζ-胡萝卜素异构酶，催化9,15,9'-三顺式-ζ-胡萝卜素异构化为9,9'-二顺式-ζ-胡萝卜素
- 玉米y9黄化叶片中三顺式异构体占92.05%±1.51%，光照12h后降至2.62%±2.20%，二顺式异构体由6.39%±0.77%升至88.06%±1.18%
- 大肠杆菌中表达AtZ-ISO1.1使三顺式从34.40%降至8.91%±2.44%，二顺式升至52.81%±3.95%，表达ZmZ-ISO使三顺式降至6.09%±1.26%，二顺式升至67.57%±3.01%
- 而截短突变体AtZ-ISO1.1M、短转录本AtZ-ISO1.2及细菌NnrU均无活性
- 拟南芥zic1-1和zic1-2突变体总类胡萝卜素分别降至野生型的81.65%±6.81%和71.09%±4.94%，叶绿素降至76.78%±6.93%和66.74%±3.95%，β-胡萝卜素分别升高至150.03%±2.33%和121.76%±18.76%
- Z-ISO与PDS表达共相关系数r=0.857，与PSY和ZDS分别为0.854和0.853
- Z-ISO在拟南芥根中表达比叶低约4倍
- 玉米12个y9突变等位基因均为Mu转座子插入外显子1
- 系统发育分析表明植物Z-ISO与细菌NnrU同源，进化自反硝化细菌的NnrU基因。
研究结论
Z-ISO是植物类胡萝卜素生物合成途径中必需的异构酶，在光照和黑暗组织中均发挥作用；该基因由细菌反硝化相关NnrU基因进化而来，补充了植物类胡萝卜素生物合成途径的缺失环节，为作物类胡萝卜素营养改良提供了新靶点。