Heterologous expression of xanthophyll esterase genes affects carotenoid accumulation in petunia corollas
- 作者
- Sanae Kishimoto, Chihiro Oda-Yamamizo, Akemi Ohmiya
- 单位
- Institute of Vegetable and Floriculture Science, NARO, Tsukuba, Japan
- 杂志
- Scientific Reports（2020）
- DOI
- 10.1038/s41598-020-58313-y
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
矮牵牛花冠因叶黄素酯化活性低导致类胡萝卜素积累不足，无法形成深黄色花朵。
研究策略
将来自Ipomoea obscura、番茄和万寿菊的叶黄素酯酶（XES）基因在矮牵牛淡黄色花品种中过表达，分析类胡萝卜素含量、酯化比例、内源类胡萝卜素基因表达及质体超微结构变化。
核心内容
本研究在矮牵牛淡黄色花品种‘California Girl’中分别异源表达了来自番薯（IoXES）、番茄（SIXES）和万寿菊（TeXES）的叶黄素酯酶基因，以探究酯化作用对花瓣类胡萝卜素积累的影响。结果显示，TeXES过表达株系#5的花冠管和花冠片总类胡萝卜素含量分别达到野生型的3.11倍和2.90倍；IoXES过表达株系#4的花冠管中酯化百分比最高达66.5%。在SIXES和TeXES过表达株系中，酯化百分比与总类胡萝卜素含量呈强正相关（r分别为0.829和0.911），且几乎所有转化株系中内源类胡萝卜素合成基因GGPS2、ZDS和LCYB表达显著上调，而降解基因NCD2表达下调。不同来源XES的底物特异性决定了转化株中类胡萝卜素组成差异。该工作首次在矮牵牛中证明异源XES通过促进酯化显著提高类胡萝卜素积累，表明叶黄素酯酶是调控花瓣类胡萝卜素含量和组成的有效工具，为花色改良提供了新策略。
创新点
首次在矮牵牛中异源表达不同来源的XES基因，证明XES通过促进酯化作用显著提高类胡萝卜素积累，且不同XES的底物特异性决定了转化株中类胡萝卜素组成差异。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Petunia x hybrida 'California Girl' | 类胡萝卜素酯化 | IoXES | xanthophyll esterase (IoXES) | 催化 | 来自Ipomoea obscura，异源表达提高酯化比例 |
| Petunia x hybrida 'California Girl' | 类胡萝卜素酯化 | SIXES (PYP1) | xanthophyll esterase (SIXES) | 催化 | 来自番茄，异源表达显著提高酯化与类胡萝卜素积累 |
| Petunia x hybrida 'California Girl' | 类胡萝卜素酯化 | TeXES | xanthophyll esterase (TeXES) | 催化 | 来自万寿菊，异源表达效果最显著 |
| Petunia x hybrida 'California Girl' | 类胡萝卜素酯化 | PhXES | xanthophyll esterase (PhXES) | 催化 | 内源XES，底物特异性低 |
| Petunia x hybrida 'California Girl' | 类胡萝卜素生物合成 | GGPS2 | geranylgeranyl diphosphate synthase 2 | 催化 | XES-OX中表达显著上调 |
| Petunia x hybrida 'California Girl' | 类胡萝卜素生物合成 | ZDS | zeta-carotene desaturase | 催化 | XES-OX中表达显著上调 |
| Petunia x hybrida 'California Girl' | 类胡萝卜素生物合成 | LCYB | lycopene beta-ring cyclase | 催化 | XES-OX中表达全部上调 |
| Petunia x hybrida 'California Girl' | 类胡萝卜素生物合成 | CHYB2 | beta-ring hydroxylase 2 | 催化 | XES-OX中表达趋低 |
| Petunia x hybrida 'California Girl' | 类胡萝卜素生物合成 | ZEP | zeaxanthin epoxidase | 催化 | 表达较低，限制新黄质和紫黄质合成 |
| Petunia x hybrida 'California Girl' | 类胡萝卜素降解 | NCD2 | 9-cis-epoxy carotenoid dioxygenase 2 | 催化 | XES-OX中表达显著低于野生型 |
| Petunia x hybrida 'California Girl' | 类胡萝卜素降解 | CCD1 | carotenoid cleavage dioxygenase 1 | 催化 | 表达无显著差异 |
关键发现
- TeXES-OX #5的花冠管和花冠片总类胡萝卜素含量分别为野生型的3.11倍和2.90倍
- IoXES-OX #4花冠管中最大酯化百分比为66.5%
- SIXES-OX和TeXES-OX中酯化百分比与总类胡萝卜素含量呈强正相关（r分别为0.829和0.911，p<0.001）
- IoXES表达与酯化百分比呈极强正相关（r=0.965，p=0.008）
- SIXES表达与总类胡萝卜素含量呈强正相关（r=0.956，p=0.003）
- 几乎所有XES-OX株系中内源GGPS2、ZDS和LCYB表达显著上调，NCD2表达显著下调。
研究结论
酯化是类胡萝卜素积累的重要过程，XES是调控花瓣类胡萝卜素含量和组成的有效工具。