Evaluation of transgenic tomato plants expressing an additional phytoene synthase in a fruit-specific manner
- 作者
- Paul D. Fraser, Susanne Romer, Cathie A. Shipton, Philippa B. Mills, Joy W. Kiano, Norihiko Misawa, Rachel G. Drake, Wolfgang Schuch, Peter M. Bramley
- 单位
- School of Biological Sciences, Royal Holloway, University of London, Egham, Surrey TW20 OEX, United Kingdom; Syngenta, Jealott's Hill Research Station, Bracknell, Berks RG42 6EY, United Kingdom; Kirin Brewery, Central Laboratories for Key Technology, 1-13-5 Fukuura, Kanazawa-ku, Yokohama-shi 236, Japan; Syngenta Wheat Improvement Centre, Norwich Research Park, Norwich NR4 7UH, United Kingdom
- 杂志
- Proceedings of the National Academy of Sciences（2001）
- DOI
- 10.1073/pnas.241374598
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
提高番茄果实中类胡萝卜素（尤其是番茄红素和β-胡萝卜素）含量以改善营养品质，同时避免先前组成型表达番茄PSY-1引起的矮化等多效性影响
研究策略
利用果实特异性多聚半乳糖醛酸酶(PG)启动子驱动来自Erwinia uredovora的细菌八氢番茄红素合酶基因crtB在番茄果实中特异表达，并通过番茄PSY-1的修饰转运肽将CRTB蛋白靶向有色体，从而实现类胡萝卜素合成的定向提升
核心内容
该研究针对组成型表达番茄内源八氢番茄红素合酶（PSY-1）导致植株矮化等不良效应的问题，采用果实特异性多聚半乳糖醛酸酶（PG）启动子驱动来自欧文氏菌的细菌八氢番茄红素合酶基因crtB，并通过修饰的转运肽将CRTB蛋白定向至果实有色体，在番茄果实中实现了类胡萝卜素合成的定向提升。由于crtB与内源PSY-1同源性低于35%，有效规避了共抑制和基因沉默问题。T0代转基因番茄果实总类胡萝卜素含量较对照提高2-4倍，其中八氢番茄红素、番茄红素和β-胡萝卜素分别提高2.4、1.8和2.2倍，最优品系总类胡萝卜素达6048 μg/g干重（对照为2776 μg/g干重）；八氢番茄红素合酶活性提高5.6-14.4倍，膜组分活性为对照的10倍。代谢控制分析显示，该酶的通量控制系数从对照的0.36降至转基因株系的0.01-0.15，表明类胡萝卜素通路的调控步骤已从该酶转移至下游反应。生育酚、质体醌等异戊二烯含量未受影响，T1和T2后代稳定遗传。该策略在有效提升果实营养品质的同时避免了矮化等副作用，且揭示了代谢调控节点的动态转移规律，为后续类胡萝卜素代谢工程的靶点选择提供了重要依据。
创新点
['使用与内源番茄八氢番茄红素合酶同源性低于35%的细菌crtB基因，规避了共抑制和基因沉默问题', '采用果实特异性PG启动子实现成熟期表达，避免了组成型表达导致的矮化和非程序性色素积累', '通过代谢控制分析定量揭示了额外表达八氢番茄红素合酶后，类胡萝卜素通路的调控步骤从该酶向其他步骤转移']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄（Lycopersicon esculentum Mill. cv. Ailsa Craig） | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | CRTB | 催化 | 来自Erwinia uredovora的八氢番茄红素合酶，催化GGPP生成八氢番茄红素 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum Mill. cv. Ailsa Craig） | 类胡萝卜素生物合成 | Psy-1 | PSY-1 | 催化 | 番茄内源八氢番茄红素合酶1，其转运肽用于引导CRTB进入质体 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum Mill. cv. Ailsa Craig） | 类胡萝卜素生物合成 | PG | — | 调控 | 多聚半乳糖醛酸酶启动子，驱动crtB基因果实特异性表达 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum Mill. cv. Ailsa Craig） | 类胡萝卜素生物合成 | ts-Psy-1 | CTS（chromoplast transit sequence） | 区室化 | 修饰的番茄PSY-1转运肽，将CRTB蛋白靶向定位至有色体 |
关键发现
- T0代转基因番茄果实总类胡萝卜素含量较对照提高2-4倍（摘要数据），八氢番茄红素、番茄红素、β-胡萝卜素分别提高2.4、1.8、2.2倍
- 具体品系中B-3、B-4、B-5总类胡萝卜素分别为5155、5949、6048 μg/g干重，对照为2776 μg/g干重
- 八氢番茄红素合酶活性提高5-10倍（实测为5.6-14.4倍）
- CRTB蛋白定位于质体且具有催化活性，膜组分活性为对照的10倍
- 代谢控制分析显示八氢番茄红素合酶的通量控制系数从对照的0.36降至转基因株系的0.01-0.15，表明调控步骤发生转移
- 其他类异戊二烯（生育酚、质体醌、泛醌）含量不受影响
- T1和T2后代稳定遗传转基因和表型
研究结论
果实特异性表达细菌八氢番茄红素合酶可有效提高成熟番茄果实中类胡萝卜素（番茄红素和β-胡萝卜素）含量，避免矮化等多效性影响；通量控制系数的变化表明类胡萝卜素合成的调控步骤从八氢番茄红素合酶转移到下游，这对未来代谢工程策略具有重要启示