Increased Nicotiana tabacum fitness through positive regulation of carotenoid, gibberellin and chlorophyll pathways promoted by Daucus carota lycopene \(\beta\) -cyclase (Dclcyb1) expression
- 作者
- J.C. Moreno, A. Cerda, K. Simpson, I. Lopez-Diaz, E Carrera, M. Handford, C. Stange
- 单位
- Centro de Biologia Molecular Vegetal, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile; Max Planck Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie; Instituto de Biologia Molecular y Celular de Plantas, C.S.I.C., Universidad Politécnica de Valencia
- 杂志
- Journal of Experimental Botany（2016）
- DOI
- 10.1093/jxb/erw037
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究胡萝卜lycopene β-cyclase (Dclcyb1)在烟草中过表达对类胡萝卜素、叶绿素和赤霉素合成途径的影响，并探究其是否通过正反馈调节提高植物适应性。
研究策略
通过农杆菌介导的遗传转化，在烟草中组成型表达胡萝卜的Dclcyb1基因（35S启动子），对转基因株系进行色素含量、相关基因表达、激素水平、光合效率及生物量等表型分析。
核心内容
该研究通过农杆菌介导的遗传转化，在烟草中组成型表达了胡萝卜的番茄红素β-环化酶基因Dclcyb1，并系统分析了转基因株系的色素含量、相关基因表达、激素水平及农艺性状。结果表明，转基因株系总类胡萝卜素含量从对照的424 μg/g DW提升至835–923 μg/g DW，β-胡萝卜素和叶绿素a均增加约2–2.2倍，光合效率Fv/Fm从0.745提高至0.844–0.866。值得注意的是，Dclcyb1过表达并未抑制赤霉素合成，反而使活性GA4含量提高1.6–2.5倍，同时上调了类胡萝卜素途径（Ntpsy1、Ntpsy2、Ntlycb）、叶绿素合成（Ntchl）及赤霉素合成（Ntga20ox、Ntks）等关键基因的表达。转基因烟草株高和叶面积均增加约2倍，整株鲜重提高1.4–1.7倍，种子产量也显著增加。该研究揭示了Dclcyb1通过正反馈调节同时激活多条代谢途径的机制，提示β-胡萝卜素衍生信号分子可能介导逆行信号调节，为通过单一基因过表达改良作物农艺性状提供了新策略。
创新点
1. 发现Dclcyb1过表达不仅不抑制赤霉素合成，反而提高了活性GA4含量；2. 揭示了Dclcyb1通过正反馈上调类胡萝卜素、叶绿素和赤霉素途径关键基因；3. 提出β-胡萝卜素衍生信号分子可能介导的逆行信号调节机制。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草 (Nicotiana tabacum cv. Xanthi NN) | 类胡萝卜素生物合成 | Dclcyb1 | lycopene beta-cyclase (LCYB) | 催化 | 异源表达，来自胡萝卜，催化番茄红素转化为β-胡萝卜素 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 类胡萝卜素生物合成 | Ntpsy1, Ntpsy2 | phytoene synthase (PSY) | 催化 | 内源基因，表达上调 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 类胡萝卜素生物合成 | Ntlycb | lycopene beta-cyclase (LCYB) | 催化 | 内源基因，表达上调 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 叶绿素生物合成 | Ntchl | chlorophyll synthase | 催化 | 表达上调 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 赤霉素生物合成 | Ntcps, Ntks, Ntga20ox1 | copalyl diphosphate synthase, ent-kaurene synthase, GA20-oxidase | 催化 | 表达上调，导致GA4增加 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 异戊二烯前体合成 (MEP途径) | Ntdxs2, Ntggpps | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase (DXS), geranylgeranyl pyrophosphate synthase (GGPPS) | 催化 | 表达上调，增加共同前体GGPP |
关键发现
- 转基因烟草株系（L14、L15、L16）的总类胡萝卜素含量较空载体对照（e.v.）从424 μg/g DW增加至835-923 μg/g DW，β-胡萝卜素从342 μg/g DW增加至673-747 μg/g DW（约2-2.2倍），叶绿素a从1846 μg/g DW增加至3751-4105 μg/g DW（约2-2.2倍）。光合效率Fv/Fm从0.745提高至0.844-0.866。活性赤霉素GA4含量提高1.6-2.5倍（L14为2.5倍，L15为2倍，L16为1.6倍）。株高增加约2倍（从28.6 cm增至54-56.2 cm），叶面积增加约2倍（从104.8 cm²增至207-215.3 cm²），整株鲜重增加1.4-1.7倍（从27.51 g增至39.58-45.54 g），种子产量增加（0.781 g增至1.27-1.44 g）。相关基因表达上调：Ntpsy1
- 5-4.5倍，Ntpsy2
- 8-2.5倍，Ntlycb
- 4-3倍，Ntga20ox 3-4倍（L15和L16），Ntks
- 5-6倍，Ntchl
- 5-1.7倍。
研究结论
Dclcyb1在烟草中的表达能通过正反馈调节上调类胡萝卜素、叶绿素和赤霉素合成途径的基因表达，提高类胡萝卜素、叶绿素和活性GA4水平，从而增加植物株高、叶面积、生物量、光合效率并促进早花，最终提高烟草的适应性。该研究为通过单一类胡萝卜素基因过表达改良作物农艺性状提供了新策略。