高级醇 · 代谢工程文献库

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Functional integration of non-native carotenoids into chloroplasts by viral-derived expression of capsanthin-capsorubin synthase in Nicotiana benthamiana

作者
Monto H. Kumagai, Yves Keller, Florence Bouvier, David Clary, Bilal Camara
单位
Biosource Technologies, 3333 Vaca Valley Parkway, Vacaville, CA 95688, USA; Institut de Biologie Moléculaire des Plantes du Centre National de la Recherche Scientifique and Université Louis Pasteur, 12 rue du Général Zimmer, 67084 Strasbourg, France
杂志
The Plant Journal（1998）
DOI
10.1046/j.1365-313x.1998.00128.x
所属领域
代谢工程
关键词
Nicotiana benthamianacapsanthincarotenoidschloroplastlight-harvesting complexviral vector
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解决的核心问题

如何将非天然的类胡萝卜素（辣椒红素）整合到高等植物叶绿体中，并研究其对光合膜结构与功能的影响

研究策略

利用烟草花叶病毒（TMV）衍生的RNA病毒载体（TTO1A）在本氏烟草中异源表达辣椒（Capsicum annuum）的辣椒红素-辣椒玉红素合酶（Ccs）基因，将叶绿体类胡萝卜素合成途径重路由至辣椒红素/辣椒玉红素分支，从而产生非天然类胡萝卜素并整合到类囊体膜

研究路线图

100%
研究问题：如何将非天然类胡萝卜素辣椒红素整合到植物叶绿体并研究其影响？
策略：TMV病毒载体（TTO1A）在本氏烟草中异源表达辣椒Ccs基因
关键改造：叶绿体类胡萝卜素合成途径重路由至辣椒红素/辣椒玉红素分支
结果1：辣椒红素累积达总类胡萝卜素的36%（对照组0%），未酯化，主要整合到LHCII三聚体和LHCII中
结果2：PSI和PSII反应中心数量不变（PSI 350±5 vs 345±9；PSII 539±8 vs 528±7）
结果3：辣椒红素增强LHCII在470-487 nm荧光激发；总类胡萝卜素含量不变（184±12 vs 168±14 μg/g FW）；叶黄素从40%降至20%，辣椒红素占36%
结论：光合膜可容纳非天然类胡萝卜素，为重塑光捕获与光保护功能提供新策略
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核心内容

本研究利用烟草花叶病毒衍生的RNA病毒载体TTO1A，在本氏烟草叶片中异源表达辣椒的辣椒红素-辣椒玉红素合酶基因Ccs，将叶绿体类胡萝卜素合成途径重路由至辣椒红素分支，从而实现非天然类胡萝卜素向光合膜的功能整合。结果显示，转基因叶片中辣椒红素积累达到总类胡萝卜素的36%，而对照为0%，且未发生酯化；辣椒红素特异性整合至LHCII三聚体及单体中，不进入PSI或核心复合物，并有效参与470-487 nm波段的激发能传递。尽管总类胡萝卜素含量无明显变化（184±12 vs 168±14 μg/g FW），但叶黄素比例由40%降至20%，辣椒红素占比达36%。PSI和PSII反应中心数量在转化植株中几乎不变（PSI：350±5 vs 345±9 mol Chl/mol P700），表明非天然色素引入不影响反应中心形成。该工作证实高等植物光合膜可容纳外源酮类胡萝卜素，为通过类胡萝卜素结构理性设计重塑光捕获和光保护功能提供了可行策略。

创新点

首次通过病毒介导表达将非天然类胡萝卜素辣椒红素成功整合到高等植物叶绿体光合膜；证明高等植物光捕获复合物可容纳非天然类胡萝卜素；发现辣椒红素特异性分布于PSII光捕获复合物，且不影响PSI和PSII反应中心数量

研究对象（1）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Nicotiana benthamiana 叶绿体类胡萝卜素生物合成途径（叶黄素合成路线） Ccs (capsanthin-capsorubin synthase) 辣椒红素-辣椒玉红素合酶（Ccs） 催化 来自辣椒（Capsicum annuum），通过TMV病毒载体异源表达于本氏烟草叶绿体，催化花药黄质和紫黄质转化为辣椒红素和辣椒玉红素

关键发现

  1. 表达Ccs后，辣椒红素累积达到总类胡萝卜素的36%（对照组为0%）
  2. 辣椒红素未酯化
  3. 辣椒红素主要整合到（LHCII）3和LHCII中，而不在PSI或核心复合物中
  4. 在叶绿素基础上，PSI和PSII反应中心数量在对照和转化植株中几乎不变（PSI：350±5 vs 345±9 mol Chl/mol P700
  5. PSII：539±8 vs 528±7 mol Chl/atrazine binding site）
  6. 辣椒红素增强了LHCII在470-487 nm的荧光激发，表明其有效参与光捕获
  7. 叶片总类胡萝卜素含量在对照和处理中没有显著变化（184±12 vs 168±14 μg/g FW），但叶黄素含量从40%降到20%，辣椒红素占36%。

研究结论

该研究证实，通过病毒载体驱动的Ccs异源表达可将非天然的辣椒红素等酮类胡萝卜素引入叶绿体类囊体膜，并特异性地整合到PSII光捕获复合物中，且不影响反应中心的形成。这表明植物光合膜具有容纳非天然类胡萝卜素的能力，为通过理性设计类胡萝卜素结构来重塑光合膜的光捕获与光保护功能提供了新策略。