Carotenoid biosynthesis genes LcLCYB, LcLCYE, and LcBCH from wolfberry confer increased carotenoid content and improved salt tolerance in tobacco
- 作者
- Chen Li, Caili Wang, Zhiyang Cheng, Yu Li, Wenjing Li
- 杂志
- Scientific Reports（2024）
- DOI
- 10.1038/s41598-024-60848-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物面临盐胁迫时生长受抑，类胡萝卜素作为抗氧化剂和植物激素前体在抗逆中发挥重要作用。如何通过基因工程提高植物类胡萝卜素含量并增强耐盐性，是培育耐盐高营养作物的关键问题。
研究策略
从枸杞中克隆类胡萝卜素生物合成途径中负责四萜骨架修饰的三个关键基因LcLCYB、LcLCYE和LcBCH，分别构建35S过表达载体并转化烟草，系统分析转基因烟草的类胡萝卜素含量、光合参数、ROS清除能力、脯氨酸积累、ABA含量及相关基因表达，揭示其提高耐盐性的分子机制。
核心内容
该研究从枸杞中克隆了类胡萝卜素合成途径的关键基因LcLCYB、LcLCYE和LcBCH，分别构建35S过表达载体并转化烟草，考察了转基因植株的类胡萝卜素含量及耐盐性。结果显示，过表达LcLCYB、LcLCYE和LcBCH使烟草总类胡萝卜素含量分别达到对照的约3倍、3倍和2.5倍，其中LcLCYB和LcLCYE使β-胡萝卜素含量分别提高3.15倍和1.39倍。盐胁迫条件下，转基因烟草种子萌发较对照提前1天，第14天萌发率约为对照的3至4倍；在200 mM NaCl处理下，转基因植株表现出更高的光合速率、Fv/Fm和叶绿素含量，更低的H2O2与MDA水平，以及更高的脯氨酸含量和CAT、POD、SOD活性，内源ABA含量也显著高于对照。研究表明，这三个基因通过加速类胡萝卜素合成与降解、增强活性氧清除能力、促进脯氨酸和ABA积累等多重机制协同提高烟草耐盐性，为培育耐盐且富含维生素A前体的作物提供了新的基因资源。
创新点
首次在烟草中系统研究枸杞LcLCYB、LcLCYE和LcBCH过表达对类胡萝卜素积累和耐盐性的协同作用，证明三个基因不仅提高总类胡萝卜素含量，还通过加速类胡萝卜素合成与降解、增强ROS清除酶活性、促进脯氨酸和ABA积累等多重机制增强耐盐性，为培育高类胡萝卜素耐盐作物提供了新基因资源。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 类胡萝卜素生物合成 | LcLCYB | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 来自枸杞，催化番茄红素环化形成β-胡萝卜素；过表达使总类胡萝卜素含量达对照3倍，β-胡萝卜素含量提高3.15倍 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 类胡萝卜素生物合成 | LcLCYE | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 来自枸杞，催化番茄红素环化形成α-胡萝卜素，进而生成叶黄素；过表达使总类胡萝卜素含量达对照3倍，β-胡萝卜素含量提高1.39倍 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 类胡萝卜素生物合成 | LcBCH | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 来自枸杞，催化β-胡萝卜素羟基化生成玉米黄质；过表达使总类胡萝卜素含量达对照2.5倍 |
关键发现
- 过表达LcLCYB、LcLCYE和LcBCH的烟草总类胡萝卜素含量分别为对照的约3倍、3倍和2.5倍
- 其中LcLCYB和LcLCYE使β-胡萝卜素含量分别提高3.15倍和1.39倍，总类胡萝卜素含量分别提高2.24倍和2.11倍。盐胁迫下，转基因烟草种子萌发比对照提前1天，第14天萌发率约为对照的4倍、4倍和3倍。转基因植株在200 mM NaCl处理下表现出更高的光合速率、Fv/Fm、叶绿素含量，更低的H2O2和MDA含量，更高的脯氨酸含量及CAT、POD、SOD活性。内源ABA含量在盐胁迫后显著升高，且转基因株系显著高于对照。
研究结论
过表达LcLCYB、LcLCYE或LcBCH可显著提高烟草类胡萝卜素含量并增强盐耐受性，其机制包括促进类胡萝卜素合成与降解、增强活性氧清除能力、提高脯氨酸积累以及促进ABA合成等。这些基因可作为培育耐盐且富含维生素A前体作物的优良候选基因。