Engineering the lutein epoxide cycle into Arabidopsis thaliana
- 作者
- Lauriebeth Leonelli, Matthew D. Brooks, Krishna K. Niyogi
- 单位
- Howard Hughes Medical Institute, University of California, Berkeley; Department of Plant and Microbial Biology, University of California, Berkeley; Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division, Lawrence Berkeley National Laboratory
- 杂志
- Proceedings of the National Academy of Sciences（2017）
- DOI
- 10.1073/pnas.1704373114
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
在模式植物拟南芥中重构并功能隔离紫黄质循环（VAZ循环）之外的第二条叶黄素循环——叶黄素环氧化物循环（LxL循环），以解析其在光合作用能量捕获与光保护中的特定作用。
研究策略
利用拟南芥szl1突变体（LCYB部分功能缺失导致积累α分支类胡萝卜素），转入来自微拟球藻Nannochloropsis oceanica的NoZEP1基因（编码玉米黄质环氧化酶，可产生叶黄素环氧化物Lx），从而在拟南芥中构建一个完整且与VAZ循环功能隔离的LxL循环，并结合色素分析与叶绿素荧光测量进行研究。
核心内容
该研究利用拟南芥szl1突变体（部分缺失LCYB功能、积累α分支类胡萝卜素），转入微拟球藻来源的玉米黄质环氧化酶基因NoZEP1，成功重构了与内源紫黄质循环功能隔离的叶黄素环氧化物循环。色素分析显示，该株系叶黄素环氧化物含量达158.5 mmol/mol Chl，占叶黄素总量的78%；高光处理30分钟后环氧化物降至初始的45%，伴随叶黄素化学计量增加，表明内源VDE催化了光驱动的环氧化物脱环氧反应。叶绿素荧光测量表明，含环氧化物株系暗适应Fv/Fm为0.785，显著高于不含环氧化物的对照（0.768）；完整循环能调控快速可逆的qE组分，增强强光下的光保护，而无法脱环氧的突变体则丧失该保护能力。该工作首次在模式植物中实现叶黄素环氧化物循环的完整重构，为理解类胡萝卜素循环在光合作用能量捕获与光保护中的分工提供了新平台，也为通过改造该循环优化光合效率与作物产量提供了潜在靶点。
创新点
首次在模式植物拟南芥中成功重构完整的LxL循环并实现与VAZ循环的功能隔离；证明内源VDE负责Lx的光驱动深氧化；发现LxL循环能调节快速响应的NPQ组分（qE）并防止强光下的光抑制。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 Arabidopsis thaliana (szl1突变体、szl1npq1突变体、Col-0等) | 叶黄素环氧化物循环（LxL cycle） | NoZEP1 | NoZEP1 (来自微拟球藻的玉米黄质环氧化酶) | 催化 | 在拟南芥中异源表达，能催化L转化为Lx，从而构建完整的LxL循环 |
| 拟南芥 Arabidopsis thaliana (szl1突变体等) | 紫黄质循环（VAZ cycle） | VDE (violaxanthin deepoxidase) | VDE | 催化 | 内源VDE负责Lx在高光下脱环氧生成L；npq1突变体缺乏VDE时Lx无法转化 |
| 拟南芥 Arabidopsis thaliana (szl1突变体) | 类胡萝卜素生物合成（α分支） | LCYB (lycopene β-cyclase) | LCYB | 催化 | szl1突变体含有LCYB部分功能缺失突变，导致α-胡萝卜素衍生物（如L）积累，减少β-分支类胡萝卜素 |
| 拟南芥 Arabidopsis thaliana | 非光化学淬灭（NPQ） | PsbS | PsbS | 调控 | qE快速响应成分依赖PsbS蛋白，参与能量耗散调节 |
| 拟南芥 Arabidopsis thaliana | 类胡萝卜素生物合成（β分支） | ZEP (zeaxanthin epoxidase) | ZEP | 催化 | 内源ZEP催化Z和A环氧化生成V，参与VAZ循环；NoZEP1为其同源物 |
关键发现
- 在szl1+NoZEP1株系中，Lx含量为158.5±8.0 mmol/mol Chl，占L+Lx总量的78%
- 高光处理30 min后Lx降至初始的45%，同时L伴随化学计量增加
- 恢复低光2 h后Lx恢复至77%，8 h后完全恢复。szl1+NoZEP1的暗适应Fv/Fm为0.785±0.003，显著高于不含Lx的szl1（0.768±0.002）
- szl1npq1+NoZEP1的Fv/Fm为0.784±0.003，显著高于szl1npq1（0.763±0.002）。在强光（1300 μmol photons m-2 s-1）处理3 h后，所有基因型的Fv/Fm降至原始值的23-52%
- 恢复24 h后，szl1恢复至98%（0.752），szl1+NoZEP1恢复至96%（0.753），szl1npq1恢复至94%（0.714），而szl1npq1+NoZEP1仅恢复至90%（0.708）。szl1+NoZEP1在强光下NPQ诱导初始较慢，但5 min后超过szl1，并在20 min接近野生型水平，且暗恢复迅速
- 而无法将Lx转化为L的szl1npq1+NoZEP1则NPQ显著降低且缺乏快速恢复的qE组分。
研究结论
将LxL循环引入拟南芥后，Lx的存在可提高暗适应PSII最大光化学效率（Fv/Fm）；完整的LxL循环能够通过VDE快速将Lx转化为L，从而调控一种快速可逆的NPQ（qE）组分，提供有效的光保护；该循环可作为优化光合效率与作物产量的潜在改造靶点。