The Maize Phytoene Synthase Gene Family: Overlapping Roles for Carotenogenesis in Endosperm, Photomorphogenesis, and Thermal Stress Tolerance
- 作者
- Faqiang Li, Ratnakar Vallabhaneni, Jane Yu, Torbert Rocheford, Eleanore T. Wurtzel
- 单位
- 纽约城市大学莱曼学院生物科学系；纽约城市大学研究生与大学中心；伊利诺伊大学作物科学系
- 杂志
- Plant Physiology（2008）
- DOI
- 10.1104/pp.108.122119
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
玉米中三个八氢番茄红素合酶（PSY）基因家族成员在胚乳类胡萝卜素积累、光形态建成和热胁迫耐受中的特异性与重叠功能尚未阐明，且缺乏PSY1表达时相与类胡萝卜素含量的关联数据，限制了类胡萝卜素代谢工程和育种的预测性设计。
研究策略
利用玉米Y1突变体（y1-602C、y1-8549）、遗传多样性品系、elm1光敏色素突变体，结合免疫定位、实时定量PCR、不同光质/温度处理及类胡萝卜素含量测定，系统分析PSY1/2/3的时空表达、蛋白定位和生理功能。
核心内容
该研究系统解析了玉米八氢番茄红素合酶（PSY）基因家族三个成员在类胡萝卜素代谢中的功能分化。利用Y1突变体、elm1光敏色素突变体及遗传多样性品系，结合免疫定位、实时定量PCR和不同光质/温度处理，发现PSY1不仅负责胚乳类胡萝卜素积累，还在暗中及热胁迫下驱动叶片类胡萝卜素合成；PSY2受光敏色素依赖和非依赖双重途径调控，是光形态建成中唯一受光上调的旁系同源基因；PSY3则主要参与根部胁迫响应。关键结果显示，胚乳类胡萝卜素含量在10至28天授粉后增加26.4倍，PSY1蛋白于12天首次检出，先于快速积累期；在10个品系中，仅PSY1在20天的转录水平与成熟籽粒总类胡萝卜素含量显著正相关（r=0.96），可作为代谢工程育种的预测指标。此外，PSY1缺失突变体中PSY2表达补偿性上调1.5至3倍，但叶片仍严重光漂白。研究明确了PSY1在胚乳和热胁迫中的必需性，为类胡萝卜素代谢工程的基因表达时空调控提供了关键靶点。
创新点
['首次发现PSY1在光合组织中具有额外功能，参与暗中和热胁迫诱导的叶片类胡萝卜素合成，而不仅限于胚乳', '明确PSY2受光敏色素依赖和非依赖途径调控，是光形态建成中唯一受光上调的PSY旁系同源基因', '建立PSY1转录水平在20 DAP与胚乳总类胡萝卜素含量的显著相关性（r=0.96），可作为代谢工程育种中基因表达时相的预测指标', '利用免疫定位首次证明PSY1蛋白定位于胚乳淀粉体被膜']
研究对象（6）
| 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途径 | PSY1（Y1） | 八氢番茄红素合酶1（PSY1） | 催化 | 第一个限速酶，催化两分子GGPP生成15-顺式八氢番茄红素；胚乳类胡萝卜素积累必需，同时在叶片中参与暗中和热胁迫诱导的类胡萝卜素合成；免疫定位于淀粉体被膜 |
| 玉米（Zea mays） | 类胡萝卜素生物合成途径 | PSY2 | 八氢番茄红素合酶2（PSY2） | 催化 | 光合组织中主要受光调节的PSY，光形态建成中由光敏色素依赖（红光/远红光）和非依赖（蓝光）机制诱导表达 |
| 玉米（Zea mays） | 类胡萝卜素生物合成途径 | PSY3 | 八氢番茄红素合酶3（PSY3） | 催化 | 与根中干旱/盐胁迫诱导的ABA生物合成相关；胚乳和叶片中表达量低，不受光诱导 |
| 玉米（Zea mays） | 光敏色素信号通路 | elm1 | ELM1（光敏色素生色团生物合成因子） | 调控 | 突变导致光敏色素生色团缺失，红光/远红光对PSY2的诱导作用丧失，蓝光诱导不受影响 |
| 玉米（Zea mays） | 光信号转导 | PHY（光敏色素基因） | 光敏色素（Phytochrome） | 调控 | 介导红光/远红光对PSY2转录的上调，是PSY2光形态建成调控的关键受体 |
| 大肠杆菌（Escherichia coli） | 类胡萝卜素生物合成途径 | PSY1、PSY2、PSY3（重组表达） | 重组PSY融合蛋白 | 催化 | 利用pET载体表达重组PSY1/2/3蛋白，用于制备抗PSY1抗血清并验证其特异性 |
关键发现
- ['在玉米B73中，胚乳类胡萝卜素含量从10 DAP到28 DAP增加26.4倍，其中10-16 DAP增加15.6倍
- PSY1蛋白在12 DAP首次检出，先于类胡萝卜素快速积累', '在10个遗传多样性品系中，仅PSY1转录水平在20 DAP与成熟籽粒总类胡萝卜素含量呈显著正相关（r=0.96，P=0.001），PSY2和PSY3无显著相关', 'PSY2在白光脱黄化2小时时达到峰值，比未照光对照高6倍
- 蓝光诱导2小时升高10.5倍，红光和远红光处理4小时升高5倍', 'elm1突变体中红光/远红光对PSY2的诱导消失，蓝光诱导仍存在，表明红光/远红光通过光敏色素介导，蓝光通过非光敏色素途径', 'y1-8549（PSY1 null）在20℃暗处总类胡萝卜素仅为Y1的62%，胡萝卜素为24%
- 在37℃光照下胡萝卜素仅为Y1的3%、黄嘌呤9%、叶绿素21%，叶片严重光漂白', '在y1-8549叶片中，PSY2 mRNA水平在20℃和37℃暗处分别比Y1高1.5倍和3倍，提示PSY1缺失引起PSY2补偿性上调', 'PSY1在Y1胚乳中于12-18 DAP高表达，而PSY2在y1-602C背景下表达高峰推迟至20-25 DAP']
研究结论
玉米PSY基因家族三个旁系同源基因功能已分化：PSY1是胚乳类胡萝卜素积累和叶片热胁迫诱导类胡萝卜素合成的必需基因，PSY2介导光形态建成中光调控的叶片类胡萝卜素合成，PSY3主要参与根中ABA相关胁迫响应。PSY1表达时相（20 DAP转录水平）可作为预测胚乳类胡萝卜素含量的关键指标，为代谢工程和育种中基因表达时空调控提供了依据。