Control of abscisic acid synthesis
- 作者
- Ian B. Taylor, Alan Burbidge, Andrew J. Thompson
- 单位
- Plant Science Division, School of Biosciences, The University of Nottingham, Sutton Bonington Campus, Loughborough, Leicestershire LE12 5RD, UK; Plant Genetics and Biotechnology Department, Horticulture Research International, Wellesbourne, Warwickshire CV35 9EF, UK
- 杂志
- Journal of Experimental Botany（2000）
- DOI
- 10.1093/jexbot/51.350.1563
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明脱落酸（ABA）生物合成途径中关键酶（ZEP、NCED、ABAO）的调控机制，并探索通过基因工程手段调控ABA含量以改良植物抗逆性和种子休眠性的可行性。
研究策略
以综述形式系统总结了ABA生物合成途径的分子遗传学研究，重点剖析了ZEP、NCED和ABAO三种关键酶的基因克隆、表达调控（昼夜节律、干旱诱导、发育阶段）以及通过反义抑制和过表达等转基因策略改变ABA含量的研究进展。
核心内容
这篇综述系统总结了脱落酸（ABA）生物合成途径中三个关键酶——ZEP、NCED和ABAO的分子遗传学研究进展，阐明了其在调控植物抗逆性与种子休眠中的核心作用。作者重点剖析了这些酶的基因克隆、表达调控及其在昼夜节律、干旱胁迫和发育阶段中的动态变化，并通过反义抑制与过表达等转基因策略验证了其功能。研究发现，玉米Vp14（NCED）重组蛋白可特异性切割9-顺式-紫黄质生成黄氧素，证实NCED是ABA合成途径的限速酶；番茄notabilis突变体则由LeNCED1单碱基缺失导致移码突变所致。干旱胁迫下，番茄叶片LeNCED1 mRNA水平上升3倍，根中上升8倍甚至超60倍；过表达LeNCED1的转基因番茄叶片mRNA水平较野生型高17倍，ABA含量显著增加且气孔导度降低，而反义抑制ZEP使烟草种子发芽50%所需时间由13–14天缩短至6–7天。这些结果证实，通过调控ZEP与NCED表达可有效改变植物内源ABA水平及生理表型，为培育抗旱或休眠性改良作物提供了可行策略。
创新点
首次报道了ZEP和NCED基因的克隆与功能验证，证实NCED是ABA合成途径中的限速酶；通过过表达NCED成功提高转基因番茄的ABA含量，为利用基因工程调控植物内源ABA水平提供了直接证据。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草（Nicotiana plumbaginifolia） | ABA生物合成（类胡萝卜素途径） | NpZEP（ABA2） | Zeaxanthin epoxidase (ZEP) | 催化 | 催化玉米黄质环氧化为紫黄质；反义和过表达实验证明其调控ABA合成和种子休眠 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum） | ABA生物合成（类胡萝卜素途径） | LeZEP1 | Zeaxanthin epoxidase (ZEP) | 催化 | 反义LeZEP1导致番茄花色变淡，并与notabilis突变体叠加产生极度萎蔫表型 |
| 玉米（Zea mays） | ABA生物合成（类胡萝卜素途径） | Vp14（ZmNCED） | 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase (NCED) | 催化 | vp14突变体不能完成9-顺式环氧类胡萝卜素裂解，是ABA合成的第一个特异性步骤 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum） | ABA生物合成（类胡萝卜素途径） | LeNCED1 | 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase (NCED) | 催化 | notabilis突变体为LeNCED1移码缺失；过表达该基因显著提高ABA含量 |
| 菜豆（Phaseolus vulgaris） | ABA生物合成（类胡萝卜素途径） | PvNCED1 | 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase (NCED) | 催化 | 干旱胁迫30分钟内mRNA即被强烈诱导，随后ABA积累 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | ABA生物合成（类胡萝卜素途径） | AAO3（atAO-3） | ABA aldehyde oxidase (ABAO) | 催化 | 催化ABA醛氧化为ABA；aao3突变体（原v11）呈萎蔫表型，该基因主要在叶片表达且受脱水诱导 |
关键发现
- 玉米Vp14（NCED）重组蛋白在体外可特异性切割9-顺式-紫黄质和9'-顺式-新黄质生成黄氧素
- 番茄notabilis突变体是LeNCED1基因单个碱基缺失导致移码突变
- 干旱胁迫下番茄叶片LeNCED1 mRNA水平上升3倍，根中上升8倍（54小时）甚至超过60倍
- 过表达LeNCED1的转基因番茄叶片mRNA水平较野生型高17倍，叶片ABA含量显著增加，两个转基因系的种子ABA水平均显著升高，且气孔导度降低
- 反义抑制ZEP使烟草种子休眠降低，发芽50%所需时间由野生型的13-14天缩短至6-7天
- 过表达ZEP使萌发延迟约3天
- 根中ZEP mRNA在脱水4小时后增加2.5-5倍，8小时后增加3-7倍。
研究结论
ABA生物合成受多个关键酶调控，其中NCED是限速步骤；通过调控ZEP和NCED的基因表达可以显著改变植物ABA含量及生理表型，这为培育抗旱或种子休眠性改良的作物品种提供了有效策略。