The Or Gene Enhances Carotenoid Accumulation and Stability During Post-Harvest Storage of Potato Tubers
- 作者
- Li Li, Yong Yang, Qiang Xu, Katherine Owsiany, Ralf Welsch, Chureeporn Chitchumroonchokchai, Shan Lu, Joyce Van Eck, Xiu-Xin Deng, Mark Failla, Theodore W. Thannhauser
- 单位
- Robert W. Holley Center for Agriculture and Health, USDA-ARS, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA; Department of Plant Breeding and Genetics, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA; Key Laboratory of Horticultural Plant Biology (Ministry of Education), Huazhong Agricultural University, Wuhan, Hubei, China; Faculty of Biology, University of Freiburg, Freiburg, Germany; Department of Human Nutrition, Ohio State University, Columbus, OH 43210, USA; State Key Laboratory of Pharmaceutical Biotechnology, School of Life Sciences, Nanjing University, Nanjing 210093, China; Boyce Thompson Institute for Plant Research, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA
- 杂志
- Molecular Plant（2012）
- DOI
- 10.1093/mp/ssr099
- 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
主粮作物中维生素A原类胡萝卜素在采后储藏期间不稳定、易氧化降解，导致营养价值降低；需阐明类胡萝卜素积累与稳定性的调控机制，并提高储藏过程中维生素A原的含量和稳定性。
研究策略
在马铃薯块茎中特异性表达花椰菜 Or 基因，对转基因块茎进行 0-5 个月低温储藏，分析总类胡萝卜素及 β-胡萝卜素含量变化、类胡萝卜素-脂蛋白隔离结构形成、相关基因表达、PSY 蛋白稳定性；通过体外模拟消化和 Caco-2 细胞摄取实验评估类胡萝卜素生物可及性；利用 iTRAQ 蛋白质组学鉴定受 Or 影响的差异表达蛋白。
核心内容
该研究在马铃薯块茎中特异性表达花椰菜Or基因，探究其对采后低温储藏期间类胡萝卜素积累与稳定性的影响。转基因块茎在5°C冷储5个月后，总类胡萝卜素含量较新鲜收获时最高提升10倍，β-胡萝卜素峰值可达初始水平的20倍以上，且其占总类胡萝卜素比例从15%升至35%，而对照组无显著变化。机制上，Or基因促进有色体分化，形成类胡萝卜素-脂蛋白隔离结构作为代谢库，该结构随储藏时间增多并与积累量正相关；同时增强PSY蛋白稳定性、上调热激蛋白和谷胱甘肽-S-转移酶等关键蛋白。模拟消化实验显示叶黄素和β-胡萝卜素的胶束化效率分别为17–26%和10–15%，且Caco-2细胞摄取量正比于胶束含量。该策略通过建立稳定的代谢库与增强合成协同作用，显著减少采后损失，为主粮作物维生素A原生物强化提供了可行途径。
创新点
首次发现 Or 基因不仅能促进类胡萝卜素在储藏中的保留，还能在 5 个月冷储中持续刺激其积累（总类胡萝卜素最高增加 10 倍，β-胡萝卜素最高增加 20 倍）；揭示了类胡萝卜素-脂蛋白隔离结构的形成和 PSY 蛋白稳定性增强是重要机制；通过蛋白质组学鉴定出热激蛋白、谷胱甘肽-S-转移酶和碳水化合物代谢蛋白三类关键蛋白质群。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 马铃薯（Solanum tuberosum cv. Désirée）块茎 | 类胡萝卜素生物合成 | Or（花椰菜） | OR protein | 调控 | 触发非彩色质体分化为有色体，增强类胡萝卜素积累 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum cv. Désirée）块茎 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY1 | Phytoene synthase (PSY) | 催化 | 类胡萝卜素合成限速酶，Or 增强其蛋白稳定性 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum cv. Désirée）块茎 | 类胡萝卜素生物合成 | PDS, LCY-b, LCY-e, BCH, NCED1 | 对应酶类 | 催化 | 参与类胡萝卜素代谢，表达受冷储影响较小 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum cv. Désirée）块茎 | 应激响应/蛋白折叠 | HSP genes | Heat shock proteins (HSPs) | 调控 | Or 上调多个热激蛋白，可能促进蛋白折叠和质体发育 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum cv. Désirée）块茎 | 谷胱甘肽代谢 | GST genes | Glutathione S-transferases (GSTs) | 催化 | Or 上调多个谷胱甘肽-S-转移酶，参与解毒和防御反应 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum cv. Désirée）块茎 | 淀粉与糖代谢 | R1, 4-alpha-glucanotransferase, fructose-1,6-bisphosphatase | R1, 4-alpha-glucanotransferase, FBPase | 能量供给 | 促进淀粉降解产生糖，为类胡萝卜素合成提供碳源和能量 |
关键发现
- Or 转基因马铃薯块茎在 5°C 冷储 5 个月后总类胡萝卜素含量较新鲜收获时最高增加 10 倍
- β-胡萝卜素峰值可达初始水平的 20 倍以上，且 β-胡萝卜素占总类胡萝卜素的比例从 0 个月的 15% 增加到 5 个月的 35%。对照（空载体和黄色薯肉品种）同期无明显增加。类胡萝卜素-脂蛋白隔离结构随储藏时间增加而增多，与类胡萝卜素积累呈正相关。PSY 蛋白在 Or 块茎中更稳定，其丰度与类胡萝卜素含量相关。模拟消化实验显示叶黄素和 β-胡萝卜素的胶束化效率分别为 17-26% 和 10-15%，Caco-2 细胞对 β-胡萝卜素的摄取量与其在胶束中的含量成正比。蛋白质组学共鉴定 4463 个独特蛋白，其中 3129 个定量
- Or 特异性影响 241 个蛋白（47 个上调、194 个下调），上调蛋白中包括 6 个热激蛋白、4 个谷胱甘肽-S-转移酶和多个糖代谢蛋白。
研究结论
Or 基因通过促进马铃薯块茎中有色体的分化，形成类胡萝卜素-脂蛋白隔离结构作为代谢库，从而稳定并持续促进类胡萝卜素积累；同时增强 PSY 蛋白稳定性、上调热激蛋白和糖代谢相关蛋白，协同提高维生素A原的合成与储藏稳定性。该策略可用于主粮作物生物强化，减少采后储藏期间维生素A原的损失。