Functional Analysis of the Early Steps of Carotenoid Biosynthesis in Tobacco
- 作者
- Marco Busch, Anja Seuter, Rüdiger Hain
- 单位
- Bayer AG, Agricultural Division Research, Molecular Target Research and Biotechnology, 51368 Leverkusen, Germany
- 杂志
- Plant Physiology（2002）
- DOI
- 10.1104/pp.010573
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析烟草类胡萝卜素生物合成早期步骤（PSY和PDS）的功能，评估其作为除草剂靶标的潜力。
研究策略
从烟草中克隆psy1、psy2和pds基因，构建过表达和反义表达载体，通过农杆菌介导转化烟草，分析表型、类胡萝卜素含量和相关基因转录水平的变化。
研究路线图
核心内容
该研究克隆了烟草中两个八氢番茄红素合成酶基因（psy1和psy2）及八氢番茄红素脱氢酶基因（pds），通过农杆菌介导的正反义表达系统，系统解析了类胡萝卜素生物合成早期步骤的功能。过表达PSY1导致植株矮化、叶形异常，叶片中八氢番茄红素积累达13–60 nmol/g鲜重，总类胡萝卜素含量最高增至对照的127%，叶绿素/类胡萝卜素比率从4.5降至最低2.6；橙色蒴果中类胡萝卜素增至400%，叶绿素降至6%。反义抑制PSY1使类胡萝卜素降至对照的48%和51%，比率升至5.1和5.8，部分后代致死。反义抑制PDS导致八氢番茄红素积累达50–1400 nmol/g鲜重，纯合子幼苗白化致死，白色幼苗叶黄素含量仅为对照的约10%。结果表明PSY和PDS是类胡萝卜素合成的关键限速酶，抑制其表达可产生严重表型甚至致死，二者均具备作为除草剂靶标的潜力。
创新点
发现烟草中存在两个功能性PSY基因（psy1和psy2）；通过正反义表达系统证明PSY和PDS是类胡萝卜素合成的关键限速步骤，且均可作为除草剂靶标高通量验证。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草（Nicotiana tabacum Petit Havana SR1） | 类胡萝卜素生物合成 | psy1 | PSY1 | 催化 | 八氢番茄红素合酶，催化GGPP缩合为八氢番茄红素，是类胡萝卜素合成的第一个限速步骤。 |
| 烟草（Nicotiana tabacum Petit Havana SR1） | 类胡萝卜素生物合成 | psy2 | PSY2 | 催化 | 第二个八氢番茄红素合酶，与PSY1有86%同源性，表达水平较低。 |
| 烟草（Nicotiana tabacum Petit Havana SR1） | 类胡萝卜素生物合成 | pds | PDS | 催化 | 八氢番茄红素脱氢酶，催化八氢番茄红素脱氢生成ζ-胡萝卜素。 |
| 烟草（Nicotiana tabacum Petit Havana SR1） | 类胡萝卜素生物合成 | zds | ZDS | 催化 | ζ-胡萝卜素脱氢酶，催化ζ-胡萝卜素脱氢生成番茄红素前体。 |
| 烟草（Nicotiana tabacum Petit Havana SR1） | 类胡萝卜素生物合成 | lcyb | LCYB | 催化 | 番茄红素β-环化酶，催化番茄红素环化生成β-胡萝卜素。 |
关键发现
- 过表达PSY1导致矮化、叶形异常、色素改变等表型，叶片中八氢番茄红素积累13-60 nmol/g鲜重
- 类胡萝卜素含量最高增至127%，叶绿素含量最高增至116%，叶绿素/类胡萝卜素比率从4.5降至最低2.6
- 橙色蒴果中总类胡萝卜素增至400%，叶绿素降至6%。反义表达PSY1使类胡萝卜素含量降至对照的48%和51%，叶绿素/类胡萝卜素比率升至5.1和5.8
- 部分后代致死。反义表达PDS导致八氢番茄红素积累50-1400 nmol/g鲜重（最高1399 nmol/g），纯合子幼苗白化致死，绿色幼苗中八氢番茄红素积累1033 nmol/g，白色幼苗中仅有八氢番茄红素681 nmol/g且叶黄素含量约为对照的10%。
研究结论
PSY和PDS是类胡萝卜素生物合成途径的关键酶，抑制其表达可导致严重表型甚至致死，二者均可作为除草剂开发的靶标。