Expression of carotenoid biosynthetic pathway genes and changes in carotenoids during ripening in tomato (Lycopersicon esculentum)
- 作者
- Kanakapura Krishnamurthy Namitha, Surya Narayana Archana, Pradeep Singh Negi
- 单位
- Central Food Technological Research Institute (CFTRI); Indian Institute of Horticultural Research
- 杂志
- Food & Function（2011）
- DOI
- 10.1039/c0fo00169d
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究番茄果实成熟过程中类胡萝卜素生物合成途径基因的差异表达规律，以及番茄红素和β-胡萝卜素在不同成熟阶段的积累变化，为基因工程提高番茄类胡萝卜素含量提供依据。
研究策略
利用DIG标记的cDNA探针通过斑点杂交（dot blot）定量分析番茄不同成熟阶段（绿熟、破色、破色后3/5/7/10/14天）叶片和果实中类胡萝卜素合成途径上游和下游基因的表达水平，同时用HPLC测定番茄红素和β-胡萝卜素含量，并用色差仪测量果实颜色参数，将基因表达与色素积累和颜色变化关联分析。
核心内容
该研究以印度番茄品种Arka Ahuti为对象，系统考察了果实成熟过程中类胡萝卜素合成途径15个关键基因的表达变化与色素积累的关系。利用斑点杂交定量分析了绿熟至破色后14天共7个阶段叶片和果实中基因表达水平，并结合HPLC测定番茄红素和β-胡萝卜素含量及色差参数。结果显示破色期上游基因DXS、GGPS、IPI表达量上调1-2倍，DXR、PSY、PDS等上调2-3倍，下游LCY B、CrtRB等基因亦有不同程度增强。番茄红素在破色后5天达到峰值15.33 mg/100g，β-胡萝卜素在破色后10天达最高10.37 mg/100g，均较绿熟期（分别仅1.42和0.46 mg/100g）大幅提升。果实a值与番茄红素积累趋势一致。研究表明早期上游基因上调驱动番茄红素合成，后期下游基因表达增强促使其向β-胡萝卜素等转化，基因表达与色素积累高度关联，为通过基因工程定向调控番茄类胡萝卜素含量提供了理论依据。
创新点
系统分析了印度番茄品种Arka Ahuti完整类胡萝卜素合成途径（从MEP途径上游DXS到下游VP14）15个关键基因在不同成熟阶段的表达谱，并结合色素定量与颜色参数，揭示了类胡萝卜素积累的转录调控机制。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄（Lycopersicon esculentum cv. Arka Ahuti） | 类胡萝卜素生物合成途径（MEP途径） | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 上游基因，催化MEP途径第一步反应 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum cv. Arka Ahuti） | 类胡萝卜素生物合成途径（MEP途径） | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 上游基因，破色期表达增加2-3倍 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum cv. Arka Ahuti） | 类胡萝卜素生物合成途径（MEP途径） | LytB | 4-羟基-3-甲基-2-丁烯基二磷酸还原酶 | 催化 | 上游基因，破色期表达增加2-3倍 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum cv. Arka Ahuti） | 类胡萝卜素生物合成途径（MEP途径） | IPI | 异戊烯基焦磷酸异构酶 | 催化 | 上游基因，破色期表达增加1-2倍 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum cv. Arka Ahuti） | 类胡萝卜素生物合成途径（MEP途径） | GGPS | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶 | 催化 | 上游基因，催化GGPP合成 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum cv. Arka Ahuti） | 类胡萝卜素生物合成途径 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 上游基因，催化两分子GGPP缩合形成八氢番茄红素，破色期表达增加2-3倍 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum cv. Arka Ahuti） | 类胡萝卜素生物合成途径 | PDS | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 上游基因，催化八氢番茄红素脱氢 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum cv. Arka Ahuti） | 类胡萝卜素生物合成途径 | ZDS | ζ-胡萝卜素脱氢酶 | 催化 | 上游基因，催化ζ-胡萝卜素脱氢形成番茄红素 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum cv. Arka Ahuti） | 类胡萝卜素生物合成途径 | LCY E | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 下游基因，催化番茄红素形成δ-胡萝卜素 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum cv. Arka Ahuti） | 类胡萝卜素生物合成途径 | LCY B | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 下游基因，催化番茄红素形成β-胡萝卜素 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum cv. Arka Ahuti） | 类胡萝卜素生物合成途径 | CtrR-B | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 下游基因，催化β-胡萝卜素羟化 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum cv. Arka Ahuti） | 类胡萝卜素生物合成途径 | ZEP I | 玉米黄质环氧化酶 | 催化 | 下游基因，催化玉米黄质转化为紫黄质 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum cv. Arka Ahuti） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VDE I | 紫黄质脱环氧酶 | 催化 | 下游基因，参与叶黄素循环 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum cv. Arka Ahuti） | 类胡萝卜素生物合成途径 | NXS | 新黄质合成酶 | 催化 | 下游基因，催化新黄质形成 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum cv. Arka Ahuti） | 类胡萝卜素生物合成途径（ABA合成分支） | VP-14 | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶 | 催化 | 下游基因，催化类胡萝卜素裂解生成ABA前体 |
关键发现
- 在破色期（breaker stage），上游基因中DXS、GGPS、IPI表达量增加1-2倍，DXR、LytB、PSY、PDS、ZDS增加2-3倍
- 下游基因LCY B和LCY E增加1-2倍，CrtRB、ZEP I、NXS、VP14增加2-3倍。番茄红素含量在破色后5天（BR5）达到最高15.33±0.24 mg/100g，β-胡萝卜素在破色后10天（BR10）达到最高10.37±0.46 mg/100g。绿色期番茄红素为1.42±0.14 mg/100g，β-胡萝卜素为0.46±0.13 mg/100g
- 破色期分别为2.76±0.82和3.47±0.93 mg/100g
- BR3分别为12.70±0.87和4.12±0.98
- BR7分别为11.97±0.74和7.57±0.66
- BR14分别为9.58±0.80和8.12±0.96 mg/100g。果实颜色参数a值在BR5最高，与番茄红素峰值一致。
研究结论
番茄品种Arka Ahuti在果实成熟过程中，类胡萝卜素合成途径基因呈现差异表达，基因表达模式与番茄红素积累高度相关。早期上游基因表达上调促进番茄红素合成，后期下游基因表达增强导致番茄红素向β-胡萝卜素及叶黄素转化。该研究可为设计基因策略提高番茄果实类胡萝卜素含量提供理论基础。