Why Is Golden Rice Golden (Yellow) Instead of Red?
- 作者
- Patrick Schaub, Salim Al-Babili, Rachel Drake, Peter Beyer
- 单位
- Center for Applied Biosciences, University of Freiburg, D-79104 Freiburg, Germany; Syngenta, Jealott's Hill International Research Centre, Bracknell, Berkshire RG42 6EY, United Kingdom
- 杂志
- Plant Physiology（2005）
- DOI
- 10.1104/pp.104.057927
- 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
解析金稻胚乳呈黄色而非红色的分子机制，即为何转入PSY和CRTI后未积累红色番茄红素，而是形成β-胡萝卜素和叶黄素。
研究策略
利用TaqMan real-time PCR比较野生型与转基因水稻胚乳及叶片中内源类胡萝卜素合成基因的表达水平；在拟南芥和烟草BY2细胞中异源表达CRTI观察叶片类胡萝卜素组成变化；并用植物型PDS/ZDS系统替代CRTI验证功能。
核心内容
金稻胚乳呈黄色而非红色，源于内源类胡萝卜素下游代谢酶与转基因引入酶之间的协同作用。通过TaqMan real-time PCR定量比较转基因与野生型水稻各组织中的基因表达，发现胚乳中Psy mRNA水平比叶片低约130倍，LCY、HYD、PDS、ZDS及CRTISO等基因表达也大幅下调，但下游的番茄红素环化酶和β-胡萝卜素羟化酶仍具活性。转基因植株中内源基因表达并未被反馈诱导，排除了转录调控假说。异源表达CRTI的拟南芥和烟草BY2细胞中，叶黄素含量随CRTI表达升高而降低，拟南芥根愈伤组织中lutein比例从野生型的36%降至16%–27%，这与番茄红素几何异构状态相关。用植物型PDS/ZDS替代CRTI的Asanohikari水稻胚乳可积累0.2–0.8 μg/g类胡萝卜素，异构体分布与CRTI株系一致。结果表明，金稻胚乳中内源PSY缺失且PDS/ZDS活性不足以完成脱饱和，需外源CRTI提供番茄红素，随后由胚乳固有的环化酶和羟化酶将其转化为β-胡萝卜素和叶黄素，从而呈现黄色。
创新点
证明内源类胡萝卜素下游基因（LCY、HYD等）在水稻胚乳中具有活性，而内源PSY缺失、PDS/ZDS活性不足；排除反馈诱导假说；揭示叶片中CRTI表达导致叶黄素减少与番茄红素几何异构状态相关。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻 (Oryza sativa) 胚乳 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | Phytoene synthase | 催化 | 内源PSY表达极低，需外源补充；外源PSY来自水仙 |
| 水稻 (Oryza sativa) 胚乳 | 类胡萝卜素生物合成 | PDS | Phytoene desaturase | 催化 | 内源PDS mRNA存在但活性不足 |
| 水稻 (Oryza sativa) 胚乳 | 类胡萝卜素生物合成 | ZDS | Zeta-carotene desaturase | 催化 | 内源ZDS mRNA存在但活性不足 |
| 水稻 (Oryza sativa) 胚乳 | 类胡萝卜素生物合成 | CRTISO | Carotene cis-trans isomerase | 催化 | 在胚乳中有活性，负责poly-cis-番茄红素异构化 |
| 水稻 (Oryza sativa) 胚乳 | 类胡萝卜素生物合成 | β-LCY | Lycopene beta-cyclase | 催化 | 催化β-环形成 |
| 水稻 (Oryza sativa) 胚乳 | 类胡萝卜素生物合成 | ε-LCY | Lycopene epsilon-cyclase | 催化 | 催化ε-环形成，生成α-胡萝卜素 |
| 水稻 (Oryza sativa) 胚乳 | 类胡萝卜素生物合成 | β-HYD | Beta-carotene hydroxylase | 催化 | 催化β-胡萝卜素羟化生成玉米黄质等 |
| 水稻 (Oryza sativa) 胚乳 | 类胡萝卜素生物合成 | CRTI | Carotene desaturase CRTI | 催化 | 细菌来源，引入四个双键，产生全反式番茄红素 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 叶片 | 类胡萝卜素生物合成 | CRTI | Carotene desaturase CRTI | 催化 | 异源表达，导致叶黄素减少，β-胡萝卜素来源叶黄素增加 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) BY2细胞 | 类胡萝卜素生物合成 | CRTI | Carotene desaturase CRTI | 催化 | 异源表达，但类胡萝卜素组成无变化 |
| 水稻 (Oryza sativa) 品种Asanohikari胚乳 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | Phytoene synthase (来自水仙) | 催化 | 与PDS、ZDS共表达，胚乳类胡萝卜素含量0.2-0.8 μg/g |
| 水稻 (Oryza sativa) 品种Asanohikari胚乳 | 类胡萝卜素生物合成 | PDS | Phytoene desaturase (来自水仙) | 催化 | 植物型脱饱和途径，产生prolycopene |
| 水稻 (Oryza sativa) 品种Asanohikari胚乳 | 类胡萝卜素生物合成 | ZDS | Zeta-carotene desaturase (来自水仙) | 催化 | 参与poly-cis-番茄红素合成 |
关键发现
- 水稻胚乳中Psy mRNA比叶片低130倍，LCY低25倍，HYD低22倍，PDS低10倍，ZDS低8倍，CRTISO低4倍
- 转基因植株中内源基因表达无显著变化
- CRTI表达水平与叶片叶黄素含量负相关
- 拟南芥根愈伤组织中lutein从野生型36%降至16%-27%
- 表达植物型PDS/ZDS的Asanohikari水稻胚乳类胡萝卜素含量0.2-0.8 μg/g，与CRTI株系β-胡萝卜素异构体分布一致。
研究结论
金稻呈黄色是由于胚乳中固有表达的β-番茄红素环化酶和β-胡萝卜素羟化酶等下游酶在获得由转基因PSY和CRTI产生的番茄红素后将其转化为β-胡萝卜素和叶黄素；内源PSY表达极低，PDS/ZDS活性不足以支持脱饱和，故需补充CRTI；叶片中CRTI表达导致的叶黄素减少与番茄红素几何异构状态有关，而非转录调控。