Timing and Biosynthetic Potential for Carotenoid Accumulation in Genetically Diverse Germplasm of Maize
- 作者
- Ratnakar Vallabhaneni, 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（2009）
- DOI
- 10.1104/pp.109.137042
- 所属领域
- 代谢工程 / 植物代谢
- 关键词
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解决的核心问题
解析玉米胚乳中类胡萝卜素积累的限速步骤和基因表达时序，为可预测的代谢工程和育种提供靶标。
研究策略
结合生物信息学、基因克隆、系统发育分析、定量RT-PCR和遗传多样性种质资源转录-代谢相关性分析，鉴定与类胡萝卜素含量显著相关的候选基因。
核心内容
该研究系统解析了玉米胚乳类胡萝卜素积累的限速步骤与基因表达时序。作者结合生物信息学、基因克隆、系统发育分析、定量RT-PCR及多种遗传多样性种质的转录-代谢相关性分析，鉴定了玉米类胡萝卜素及上游异戊二烯途径的全部基因家族成员。关键结果表明，七个基因的转录水平与胚乳类胡萝卜素含量显著相关，且表达呈现两个时间窗口：在20 DAP，PSY1转录本与类胡萝卜素含量正相关（r=0.96），而CrtISO1和ZEP1/ZEP2则呈负调控作用（ZEP2与玉米黄质含量r=-0.86）；在25 DAP，DXS3（r=0.75）、DXR（r=0.61）、HDR（r=0.64）和GGPPS1（r=0.69）均与含量正相关。此外，GGPPS3无功能、CrtISO2为假基因。这些发现揭示了MEP途径多个此前未知的限速环节及类胡萝卜素降解的负调控节点，为玉米及其他禾本科作物通过代谢工程和分子育种提高类胡萝卜素含量提供了明确的基因靶标和关键时间窗信息。
创新点
系统鉴定了玉米类胡萝卜素及上游异戊二烯途径的全部基因家族；发现多个新的限速步骤（DXS3、DXR、HDR、GGPPS1）以及CrtISO1和ZEP的负调控作用；揭示了类胡萝卜素积累相关基因表达的两个时间窗口（20 DAP和25 DAP）。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Zea mays | MEP途径（类胡萝卜素前体异戊烯基焦磷酸/香叶基香叶基焦磷酸合成） | DXS3 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶3 | 催化 | 25 DAP转录水平与类胡萝卜素含量正相关（r=0.75, P=0.01） |
| Zea mays | MEP途径 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 25 DAP转录水平与类胡萝卜素含量正相关（r=0.61, P=0.05） |
| Zea mays | MEP途径 | HDR | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶 | 催化 | 25 DAP转录水平与类胡萝卜素含量正相关（r=0.64, P=0.04） |
| Zea mays | 类胡萝卜素生物合成（上游香叶基香叶基焦磷酸合成） | GGPPS1 | 香叶基香叶基焦磷酸合酶1 | 催化 | 25 DAP转录水平与类胡萝卜素含量正相关（r=0.69, P=0.02）；在大肠杆菌中功能互补验证 |
| Zea mays | 类胡萝卜素生物合成 | PSY1 | 八氢番茄红素合酶1 | 催化 | 20 DAP转录水平与类胡萝卜素含量正相关（r=0.96, P=0.001） |
| Zea mays | 类胡萝卜素生物合成 | CrtISO1 | 胡萝卜素异构酶1 | 催化 | 20 DAP转录水平与类胡萝卜素含量负相关（r=-0.76, P=0.001） |
| Zea mays | 类胡萝卜素降解（转化为脱落酸） | ZEP1 | 玉米黄质环氧化酶1 | 催化 | 20 DAP转录水平与玉米黄质含量负相关（r=-0.77, P=0.008） |
| Zea mays | 类胡萝卜素降解（转化为脱落酸） | ZEP2 | 玉米黄质环氧化酶2 | 催化 | 20 DAP转录水平与玉米黄质含量负相关（r=-0.86, P=0.001） |
| Zea mays | 类胡萝卜素生物合成（上游香叶基香叶基焦磷酸合成） | GGPPS3 | 香叶基香叶基焦磷酸合酶3 | 催化 | 无功能，转录本极低，在大肠杆菌互补实验中不能恢复类胡萝卜素合成 |
| Zea mays | 类胡萝卜素生物合成 | CrtISO2 | 胡萝卜素异构酶2（假基因） | 催化 | 外显子1存在终止密码子，预测为假基因 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素生物合成（异源功能互补） | GGPPS1, GGPPS2 | 香叶基香叶基焦磷酸合酶1/2 | 催化 | 在pACCAR25ΔcrtE背景下，GGPPS1和GGPPS2恢复类胡萝卜素合成，GGPPS3无功能 |
关键发现
- PSY1转录本在20 DAP与胚乳类胡萝卜素含量正相关（r=0.96, P=0.001）
- CrtISO1在20 DAP负相关（r=-0.76, P=0.001）
- DXS3在25 DAP正相关（r=0.75, P=0.01）
- DXR在25 DAP正相关（r=0.61, P=0.05）
- HDR在25 DAP正相关（r=0.64, P=0.04）
- GGPPS1在25 DAP正相关（r=0.69, P=0.02）
- ZEP1和ZEP2在20 DAP与玉米黄质含量负相关（r=-0.77, P=0.008
- r=-0.86, P=0.001）。GGPPS3无功能，CrtISO2为假基因。
研究结论
七个基因的转录水平与玉米胚乳类胡萝卜素含量显著相关，其表达时序分为20 DAP和25 DAP两个窗口；这些结果为玉米及其他禾本科作物的类胡萝卜素代谢工程和育种提供了新靶标和时序信息。