RNA Interference-Mediated Repression of MtCCD1 in Mycorrhizal Roots of Medicago truncatula Causes Accumulation of C27 Apocarotenoids, Shedding Light on the Functional Role of CCD1
- 作者
- Daniela S. Floss, Willibald Schliemann, Jürgen Schmidt, Dieter Strack, Michael H. Walter
- 单位
- Leibniz- Institut für Pflanzenbiochemie, Abteilung Sekundärstoffwechsel; Leibniz- Institut für Pflanzenbiochemie, Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie
- 杂志
- Plant Physiology（2008）
- DOI
- 10.1104/pp.108.125062
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
阐明植物体内CCD1酶的实际底物及其在菌根根类胡萝卜素裂解通路中的功能角色，解决体外重组CCD1底物特异性与体内实际情况不一致的矛盾。
研究策略
利用RNAi技术在蒺藜苜蓿毛状根中沉默MtCCD1基因，接种丛枝菌根真菌Glomus intraradices，通过代谢产物分析（HPLC、质谱）和转录水平分析（实时RT-PCR）研究其对C13/C14 apocarotenoid积累及菌根共生的影响。
核心内容
该研究通过RNAi技术在蒺藜苜蓿毛状根中沉默MtCCD1基因，并接种丛枝菌根真菌Glomus intraradices，以阐明CCD1在菌根根类胡萝卜素裂解通路中的实际功能。代谢产物分析显示，MtCCD1转录水平在RNAi根中仅残留约8%，mycorrhacidin衍生物含量降至对照的3%–6%，同时出现至少7个新的C27 apocarotenoid化合物，其中Apo2被鉴定为C27 3-羟基-α-apo-10'-carotenoic acid双己糖苷。退化丛枝比例从32%增至48%，但AM分子标记中仅MtLEC7显著下降。此外，野生型根在9周时MtCCD1转录水平升高3倍。结果表明，MtCCD1在菌根根中的主要底物是C27 apocarotenoids而非C40类胡萝卜素，其催化C27→C14+C13的第二步裂解，而第一步C40→C27+C13由质体内的CCD7或CCD4完成。该发现修正了原有CCD1直接对称裂解C40的模型，揭示了植物类胡萝卜素裂解的两步连续机制，为理解菌根共生中信号分子的生物合成提供了关键依据。
创新点
首次通过RNAi沉默MtCCD1发现C27 apocarotenoids在菌根根中积累，提出植物类胡萝卜素裂解的两步连续模型：CCD1在胞质中仅催化第二步C27→C14+C13，而第一步C40→C27+C13由CCD7/CCD4在质体内完成。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Medicago truncatula（蒺藜苜蓿）毛状根 | 类胡萝卜素裂解途径 | MtCCD1 | CCD1 | 催化 | RNAi沉默该基因导致C27 apocarotenoids积累，证明其体内催化C27→C14+C13 |
| Medicago truncatula（蒺藜苜蓿）毛状根 | MEP通路 | MtDXS2-1 | DXS2 | 催化 | 菌根诱导的1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶，作为AM分子标记 |
| Medicago truncatula（蒺藜苜蓿）毛状根 | 磷酸盐转运 | MtPT4 | PT4 | 转运 | AM特异性磷酸盐转运蛋白，作为菌根共生分子标记 |
| Medicago truncatula（蒺藜苜蓿）毛状根 | 类胡萝卜素裂解途径 | MtCCD7（推测） | CCD7 | 催化 | 推测在质体内催化第一步C40→C27+C13裂解 |
| Medicago truncatula（蒺藜苜蓿）毛状根 | 类胡萝卜素裂解途径 | MtCCD4（推测） | CCD4 | 催化 | 可能的候选酶，定位于质体球，可能参与第一步裂解 |
关键发现
- MtCCD1转录水平在RNAi根中残留约8%；mycorrhacidin衍生物含量降至5 nmol/g FW（7周）和3 nmol/g FW（9周），分别为对照的6%和3%；cyclohexenone衍生物残留30%-47%；出现至少7个新的C27 apocarotenoid化合物，UV吸收峰418-445 nm；Apo2被鉴定为C27 3-羟基-α-apo-10'-carotenoic acid双己糖苷，[M+H]+ m/z
- 37944，对应分子式C39H57O13；退化丛枝比例从32%增至48%；AM分子标记中仅MtLEC7显著下降（80.3±19.7 vs
- 8±7.4）；野生型根9周时MtCCD1转录水平升高3倍（62.3 vs
- 7）。
研究结论
MtCCD1在菌根根细胞中的主要底物是C27 apocarotenoids而非C40类胡萝卜素，其催化C27→C14+C13的第二步裂解；第一步C40→C27+C13可能由质体内的CCD7或CCD4催化，从而修正了原有CCD1直接对称裂解C40的模型。