1-Deoxy-D-xylulose-5-phosphate Synthase, a Limiting Enzyme for Plasticid Isoprenoid Biosynthesis in Plants
- 作者
- Juan M. Estévez, Araceli Cantero, Andreas Reindl, Stuart Reichler, Patricia León
- 单位
- Departamento de Biología Molecular de Plantas, Instituto de Biotecnología, Universidad Nacional Autónoma de México; BASF AG. Crop Protection Research
- 杂志
- Journal of Biological Chemistry（2001）
- DOI
- 10.1074/jbc.M100854200
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
确定植物质体 MEP 途径中 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（DXS）是否是该途径的限速酶，以及其水平变化对质体异戊二烯生物合成的影响。
研究策略
通过农杆菌介导的转基因技术，在拟南芥中分别过表达（正义构建）和抑制表达（反义构建）CLA1（编码 DXS）基因，获得 DXS 水平不同的转基因株系，比较叶绿素、生育酚、类胡萝卜素、ABA、GA 等异戊二烯产物含量及相关表型。
核心内容
该研究通过农杆菌介导的转基因技术，在拟南芥中分别过表达和反义抑制编码DXS的CLA1基因，获得DXS蛋白水平为野生型38%至172%的一系列转基因株系，以考察该酶在质体MEP途径中的限速作用。结果显示，DXS水平的变化同步影响了多种异戊二烯产物的积累：过表达株系中叶绿素、α-生育酚、总类胡萝卜素和ABA含量分别达到野生型的134%-142%、154%-215%、112%-131%和295%-397%，而抑制表达株系中相应产物则降至65%-84%、43%-78%、75%-87%和44%-53%；GA4转录水平亦随DXS水平呈反向变化。表型上，DXS过表达导致下胚轴缩短、抽薹长度降低及种子萌发延迟，而抑制表达则相反。这些结果首次在植物中证明DXS是MEP途径的限速酶，质体IPP的供给量是多种异戊二烯产物生物合成的共同限制因素，为通过调控DXS水平定向改良植物异戊二烯代谢提供了直接依据。
创新点
首次在植物中证明改变 DXS 水平可同时调节多种质体异戊二烯产物的含量，确定 DXS 是 MEP 途径的限速酶，并表明质体 IPP 的可用性是异戊二烯生物合成的共同限制因素。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Arabidopsis thaliana (拟南芥) | 质体 MEP 途径 (2C-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸途径) | CLA1 | DXS (1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶) | 催化 | 催化丙酮酸与甘油醛-3-磷酸缩合生成 DXP，是 MEP 途径的第一步和限速步骤 |
关键发现
- DXS 过表达株系（S-2, S-14, S-17）的 DXS 蛋白水平为野生型的 132%-172%，抑制表达株系（S-7, A-6, A-18, CLA1/cla1）为 38%-77%。与野生型相比，过表达株系的叶绿素总量为 134%-142%，抑制表达株系为 65%-84%，cla1-1 突变体仅为 4%；α-生育酚在过表达株系中为 154%-215%，抑制表达株系为 43%-78%，cla1-1 为 7%；总类胡萝卜素在过表达株系中为 112%-131%，抑制表达株系为 75%-87%，cla1-1 为 3%；ABA 在过表达株系中为 295%-397%，抑制表达株系为 44%-53%，cla1-1 为 38%。GA4 转录水平（与 GA 含量呈负相关）在过表达株系中为野生型的 81%-98%，抑制表达株系为 113%-144%，cla1-1 为 124%。表型方面，8 天幼苗下胚轴长度：野生型平均
- 8 cm，过表达株系
- 4-2.6 cm，抑制表达株系
- 3-4.6 cm，cla1-1 为
- 1 cm；26 天植株抽薹长度：野生型
- 9 cm，过表达株系
- 2-3.2 cm，抑制表达株系
- 0-7.9 cm。种子萌发试验中，2 天时抑制表达株系萌发率为 79%，过表达株系为 10%，野生型为 23%；5 天时抑制表达和野生型均达 100%，而过表达株系仅 46%，7 天内未达 100%。
研究结论
DXS 催化 MEP 途径的第一步，是植物质体异戊二烯生物合成的一个限速步骤；改变 DXS 水平可同时影响叶绿素、生育酚、类胡萝卜素、ABA 和 GA 等多种异戊二烯产物的含量，表明质体 IPP 的供给量是限制异戊二烯生产的关键因素。