P-HYDROXYPHENYLPYRUVATE DIOXYGENASE from Medicago sativa is involved in vitamin E biosynthesis and abscisic acid- mediated seed germination
- 作者
- Jishan Jiang, Zhihong Chen, Liping Ban, Yudi Wu, Jianping Huang, Jinfang Chu, Shuang Fang, Zan Wang, Hongwen Gao, Xuemin Wang
- 单位
- Institute of Animal Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences; University of California, Davis; Henan University of Science and Technology; Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences
- 杂志
- Scientific Reports（2017）
- DOI
- 10.1038/srep40625
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
紫花苜蓿中参与维生素E生物合成和ABA介导种子萌发的HPPD基因功能未知，需要克隆并解析其在维生素E积累和种子萌发调控中的作用。
研究策略
从紫花苜蓿中克隆HPPD基因（MsHPPD），进行序列与表达分析，通过异源过表达于拟南芥，检测维生素E含量、种子萌发率、ABA含量及相关基因表达，揭示其功能。
核心内容
该研究从紫花苜蓿中克隆了编码对羟苯基丙酮酸双加氧酶的MsHPPD基因，其cDNA全长2064 bp，编码434个氨基酸。通过异源过表达于拟南芥，系统解析了该基因在维生素E生物合成及脱落酸介导的种子萌发调控中的功能。结果显示，NaCl处理24小时后MsHPPD表达量升高约500倍；转基因拟南芥种子中β-生育三烯酚和δ-生育酚含量分别增加12–36%和10–57%，总维生素E水平显著提升。在正常条件下，转基因种子24小时萌发率明显高于野生型；NaCl处理84小时后二者萌发率分别为99%和88%；在5 μM和10 μM ABA处理下，转基因种子萌发率分别约为86%和72%，远高于野生型的40%和18%。吸水种子中游离ABA含量显著降低，ABA合成基因NCED3、NCED5、NCED9及信号通路基因RAB18、ABI3、ABI5表达均显著下调。研究表明MsHPPD不仅参与维生素E合成，还通过竞争GGDP前体降低ABA水平、抑制ABA信号通路，从而正向调控种子萌发。
创新点
首次从紫花苜蓿中克隆并鉴定HPPD基因；发现其参与种子萌发调控，证明维生素E通过影响ABA生物合成和信号通路来调节种子萌发。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana Col-0） | 维生素E生物合成/ABA生物合成 | MsHPPD | 对羟苯基丙酮酸双加氧酶（HPPD） | 催化 | 催化HPP转化为HGA，维生素E生物合成第一个关键酶 |
| 紫花苜蓿（Medicago sativa L. cv Zhongmu No.1） | 维生素E生物合成 | MsHPPD | HPPD | 催化 | 基因克隆与表达模式分析 |
| 拟南芥（转基因） | 维生素E生物合成 | AtHPT | 尿黑酸植基转移酶 | 催化 | HPPD下游第一个基因，在过表达株系中表达显著降低 |
| 拟南芥（转基因） | ABA生物合成 | NCED3, NCED5, NCED9 | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶 | 催化 | 吸水种子中表达显著下调 |
| 拟南芥（转基因） | ABA生物合成 | AAO3, ABA3 | 醛氧化酶3/钼辅因子硫化酶 | 催化 | 干种子和吸水种子中表达均显著降低 |
| 拟南芥（转基因） | ABA信号通路 | RAB18, ABI3, ABI5 | ABA信号通路相关蛋白 | 调控 | 吸水种子中表达显著下调 |
| 拟南芥（转基因） | 维生素E生物合成 | AtMPBQMT, AtTMT, AtTC, AtVTE5, AtHST | 相关甲基转移酶/环化酶/激酶/尿黑酸香叶基转移酶 | 催化 | 表达无显著变化 |
| 拟南芥（转基因） | 类胡萝卜素/ABA前体 | ABA1 | 玉米黄质环氧化酶 | 催化 | 干种子和吸水种子中表达均无显著变化 |
关键发现
- 克隆获得2064 bp全长MsHPPD cDNA，编码434个氨基酸
- NaCl处理24h后MsHPPD表达升高500倍
- 转基因拟南芥种子中β-生育三烯酚增加12-36%，δ-生育酚增加10-57%
- OE2和OE7总维生素E含量显著提高
- 正常条件下24h转基因种子萌发率显著高于野生型
- NaCl处理84h后转基因和野生型萌发率分别为99%和88%
- 5 μM ABA处理120h后转基因萌发率约86%，野生型为40%
- 10 μM ABA下转基因约72%，野生型仅18%
- 吸水种子中游离ABA含量显著降低，NCED3、NCED5、NCED9、RAB18、ABI3、ABI5表达显著下调，AAO3和ABA3在干种子和吸水种子中均显著降低。
研究结论
MsHPPD不仅参与维生素E生物合成，还通过影响ABA生物合成和信号通路正向调控种子萌发；维生素E与ABA竞争GGDP前体，过量表达HPPD提高维生素E含量，降低ABA水平，从而促进萌发。