Gene Duplication in the Carotenoid Biosynthetic Pathway Preceded Evolution of the Grasses
- 作者
- Cynthia E. Gallagher, Paul D. Matthews, Faqiang Li, Eleanore T. Wurtzel
- 单位
- Department of Biological Sciences, Lehman College, The City University of New York (CUNY), Bronx, New York 10468; The Graduate School and University Center- CUNY, New York, New York 10016
- 杂志
- Plant Physiology（2004）
- DOI
- 10.1104/pp.104.039818
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
禾本科（Poaceae）植物胚乳类胡萝卜素含量差异巨大，如玉米胚乳积累类胡萝卜素而水稻不积累，该差异的分子机制尚不清楚；且仅根据序列同源性克隆的玉米Y1基因功能从未被验证。
研究策略
从水稻中分离PSY同源基因，结合基因组序列分析、系统发育分析，鉴定玉米和水稻中重复的PSY基因（PSY1和PSY2）；利用大肠杆菌异源功能互补系统验证基因功能；通过RT-PCR分析胚乳和叶片中的表达模式；设计PSY1/PSY2特异性通用引物，在禾本科各亚科代表物种中检测PSY基因复制的分布。
研究路线图
核心内容
该研究围绕禾本科植物胚乳类胡萝卜素积累差异的分子机制展开，以玉米和水稻为对象，从水稻中分离PSY同源基因并结合基因组与系统发育分析，鉴定了禾本科中重复存在的PSY1和PSY2两个功能性基因。通过大肠杆菌异源功能互补实验，证实玉米PSY1、玉米PSY2和水稻PSY2均具有催化活性，可恢复类胡萝卜素合成。RT-PCR分析显示，玉米胚乳中PSY1和PSY2均有转录，但白色玉米y1突变体胚乳缺失PSY1转录本；水稻胚乳中无PSY1却有PSY2转录，叶片中两者均存在。利用设计的通用引物，在代表8个亚科的12个禾本科分类群中均检测到两个基因，表明该复制事件发生在禾本科演化之前。关键结果确立了PSY1转录积累与胚乳类胡萝卜素积累的相关性，而PSY2无法在胚乳中补偿PSY1功能，为理解禾本科类胡萝卜素组织特异性调控及胚乳营养改良提供了分子靶点。
创新点
['首次证明玉米和水稻均含有两个功能性PSY基因（PSY1和PSY2），其蛋白产物在异源细菌系统中具有酶活性', '发现PSY基因复制事件发生在禾本科（Poaceae）演化前，至少在12个分类群（代表8个亚科）中普遍存在', '建立了PSY1转录积累与胚乳类胡萝卜素积累的相关性，而PSY2虽表达但不足以促进胚乳类胡萝卜素积累', '开发了PSY1和PSY2特异性通用PCR引物，可用于禾本科系统发育分析和育种辅助选择']
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 大肠杆菌BL21(DE3) | 类胡萝卜素生物合成途径 | 玉米PSY1 (Y1) | PSY1 | 催化 | 利用pACCAR25ΔcrtB系统进行功能互补，恢复产生玉米黄质及其糖苷，证明PSY1具有催化活性 |
| 大肠杆菌BL21(DE3) | 类胡萝卜素生物合成途径 | 玉米PSY2 | PSY2 | 催化 | 利用pACCAR25ΔcrtB系统进行功能互补，恢复产生玉米黄质及其糖苷，证明PSY2具有催化活性 |
| 大肠杆菌BL21(DE3) | 类胡萝卜素生物合成途径 | 水稻PSY2 | PSY2 | 催化 | 利用pACCAR25ΔcrtB系统进行功能互补，恢复产生玉米黄质及其糖苷，证明水稻PSY2具有催化活性 |
| 玉米（Zea mays） | 类胡萝卜素生物合成途径 | PSY1 (Y1) 和 PSY2 | PSY1 和 PSY2 | 催化 | 黄色胚乳中PSY1和PSY2均表达，白色y1突变体胚乳中PSY1转录本缺失，说明PSY1与胚乳类胡萝卜素积累相关 |
| 水稻（Oryza sativa） | 类胡萝卜素生物合成途径 | PSY1 和 PSY2 | PSY1 和 PSY2 | 催化 | 胚乳中PSY1转录本缺失且无类胡萝卜素积累，PSY2和PDS虽表达但不足以产生类胡萝卜素 |
| 禾本科各亚科代表物种（共12个分类群） | 类胡萝卜素生物合成途径 | PSY1 和 PSY2 | PSY1 和 PSY2 | 催化 | 用通用引物检测到所有代表物种均有PSY1和PSY2，证明复制事件早于禾本科演化 |
关键发现
- 玉米和水稻均含有重复的PSY基因PSY1和PSY2
- 玉米PSY1（Y1）位于6L染色体（6.01），PSY2位于8L染色体（8.07）
- 水稻PSY1和PSY2分别位于第6和第12染色体。玉米PSY1与水稻PSY1蛋白相似性为84.3%，而玉米PSY1与玉米PSY2相似性为71.4%。四个基因均含6个外显子和5个内含子
- PSY1基因的第一内含子约100 bp，PSY2基因的第一内含子>700 bp。玉米PSY1预测为46.5 kD（420残基，66残基转运肽），成熟蛋白39.8 kD
- 玉米PSY2预测为45.2 kD（403残基，54残基转运肽），成熟蛋白39.5 kD
- 水稻PSY2预测为44.7 kD（398残基，80残基转运肽），成熟蛋白36.2 kD。异源功能互补实验表明玉米PSY1、玉米PSY2和水稻PSY2均能恢复大肠杆菌产生玉米黄质及其糖苷（产物峰保留时间7.2、8.1和13.1 min）。RT-PCR显示黄色玉米胚乳中PSY1和PSY2转录本均存在，白色玉米（y1突变体）胚乳中缺乏PSY1转录本，但叶片中两者均存在
- 水稻胚乳中缺乏PSY1转录本但存在PSY2转录本，叶片中两者均有
- PDS转录本在所有组织中均存在。使用通用引物在12个禾本科分类群（代表8个亚科）中均检测到PSY1和PSY2基因。
研究结论
PSY基因复制发生在禾本科演化之前，产生两个功能不等价的PSY基因；胚乳类胡萝卜素积累依赖于PSY1表达，而PSY2在胚乳中不能补偿PSY1的功能。该发现为理解禾本科植物类胡萝卜素组织特异性调控提供了分子基础，并为通过常规育种或生物技术改良禾本科作物胚乳类胡萝卜素含量提供了新靶点。