Specific Upregulation of a Cotton Phytoene Synthase Gene Produces Golden Cottonseeds with Enhanced Provitamin A
- 作者
- Dan Yao, Yi Wang, Qian Li, Xufen Ouyang, Yaohua Li, Chuannan Wang, Lingli Ding, Lei Hou, Ming Luo, Yuehua Xiao
- 杂志
- Scientific Reports（2018）
- DOI
- 10.1038/s41598-018-19866-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
维生素A缺乏症是全球性公共健康问题，利用棉花种子（全球第三大食用植物油来源）进行前体维生素A（PVA）生物强化，以提高棉籽油中的β-胡萝卜素含量，从而缓解低收入地区的维生素A缺乏。
研究策略
基于棉属基因组和转录组数据，系统鉴定类胡萝卜素合成酶基因并分析表达模式，确定八氢番茄红素合酶（PSY）为限速步骤；克隆棉花GhPSY2D基因，经烟草功能验证后，在种子特异性启动子（pV）驱动下转化棉花，实现种子特异性过表达。
核心内容
针对全球范围内维生素A缺乏这一公共健康问题，该研究以棉花种子为对象开展代谢工程改造，旨在实现棉籽油的前体维生素A生物强化。基于棉属基因组与转录组数据，研究者系统鉴定了类胡萝卜素合成途径各基因并分析其表达模式，确定八氢番茄红素合酶（PSY）为限速步骤，进而克隆了内源GhPSY2D基因。经烟草中功能验证后，将该基因置于种子特异性启动子pV驱动下转化棉花（冀棉14号），实现种子特异性过表达。结果显示，转基因棉籽油中总类胡萝卜素含量较野生型提高6倍以上，薄层色谱确认增加的主要成分为β-胡萝卜素，而野生型棉籽中检测不到该物质。过表达GhPSY2D的烟草在叶片、茎、花丝及发育种子中均出现类胡萝卜素积累增加和金色外观。获得的3个转基因棉花株系在种子发育25天后GhPSY2D转录和类胡萝卜素含量显著上升，且植物生长与纤维发育无明显缺陷，仅种子发芽率略有下降。该工作仅通过单基因改造即获得富含β-胡萝卜素的金色棉籽，为低收入棉区对抗维生素A缺乏提供了新工具，并可与棉酚抑制等策略联用以进一步优化棉籽营养品质。
创新点
首次利用基因组和转录组数据系统指导单基因改造；仅过表达一个内源PSY基因即获得金色棉籽和PVA强化棉籽油；对棉花生长发育和纤维产量无明显不利影响。
研究对象（17）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 棉花（Gossypium hirsutum，冀棉14号） | 类胡萝卜素生物合成途径 | GhPSY2D | 八氢番茄红素合酶（PSY） | 催化 | 种子特异性启动子pV驱动，在发育种子中特异表达，催化GGPP合成八氢番茄红素 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 类胡萝卜素生物合成途径 | GhPSY2D | 八氢番茄红素合酶（PSY） | 催化 | 用于基因功能的异源验证，CaMV35S组成型过表达，植株类胡萝卜素含量升高且出现矮化表型 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 类胡萝卜素生物合成途径 | GhPSY2A | 八氢番茄红素合酶（PSY） | 催化 | 与GhPSY2D同源，编码398个氨基酸，序列与TM-1基因组一致，表达分析中为主要PSY转录本之一 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 类胡萝卜素生物合成上游途径 | GoDXS1-6 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（DXS） | 催化 | 催化类胡萝卜素前体途径第一步，从棉花基因组中鉴定 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 类胡萝卜素生物合成上游途径 | GoIDI1 | 异戊烯基焦磷酸异构酶（IDI） | 催化 | 催化IPP与DMAPP互变 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 类胡萝卜素生物合成上游途径 | GoGGPS1-10 | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶（GGPS） | 催化 | 催化GGPP合成，为类胡萝卜素提供直接前体 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 类胡萝卜素生物合成途径 | GoPDS1 | 八氢番茄红素脱氢酶（PDS） | 催化 | 催化八氢番茄红素脱氢 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 类胡萝卜素生物合成途径 | GoZISO1 | ζ-胡萝卜素异构酶（ZISO） | 催化 | 参与ζ-胡萝卜素异构化 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 类胡萝卜素生物合成途径 | GoZDS1-2 | ζ-胡萝卜素脱氢酶（ZDS） | 催化 | 催化ζ-胡萝卜素脱氢 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 类胡萝卜素生物合成途径 | GoCrtISO1-2 | 胡萝卜素异构酶（CrtISO） | 催化 | 催化顺式番茄红素异构化为全反式 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 类胡萝卜素生物合成途径 | GoLCYB1-2 | 番茄红素β-环化酶（LCY-β） | 催化 | 催化番茄红素生成β-胡萝卜素 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 类胡萝卜素生物合成途径 | GoLCYE1-2 | 番茄红素ε-环化酶（LCY-ε） | 催化 | 催化番茄红素生成δ-胡萝卜素分支 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 类胡萝卜素生物合成途径 | GoCHYB1-3 | β-胡萝卜素羟化酶（CHY-β） | 催化 | 催化β-胡萝卜素羟化生成玉米黄质 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 类胡萝卜素生物合成途径 | GoCHYE1-2 | ε-胡萝卜素羟化酶（CHY-ε） | 催化 | 催化ε-环羟化 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 类胡萝卜素生物合成途径 | GoZEP1 | 玉米黄质环氧酶（ZEP） | 催化 | 催化玉米黄质生成紫黄质 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | 类胡萝卜素生物合成途径 | GoVDE1 | 紫黄质脱环氧酶（VDE） | 催化 | 催化紫黄质脱环氧 |
| 棉花（Gossypium hirsutum） | — | pV启动子 | — | 调控 | 菜豆β-型菜豆蛋白基因启动子，用于种子特异性表达GhPSY2D |
关键发现
- 转基因棉籽油中总类胡萝卜素含量较野生型对照提高6倍以上
- 薄层色谱分析表明β-胡萝卜素是转基因棉籽中增加的主要类胡萝卜素，而野生型中检测不到
- GhPSY2D在转基因烟草中过表达导致叶片、茎、花丝和发育种子中类胡萝卜素积累增加并呈现金色外观
- 获得3个转基因棉花株系（#1、#2、#3），在种子发育中后期（25 DPA后）GhPSY2D转录和类胡萝卜素含量显著增加
- 转基因棉花种子发芽率有所下降，但植物生长和纤维发育无明显缺陷。
研究结论
通过种子特异性过表达GhPSY2D成功实现了棉籽的PVA生物强化，获得富含β-胡萝卜素的金色棉籽和棉籽油，为低收入棉区提供了对抗维生素A缺乏症的新工具，且该策略可与抑制棉酚等策略联用以进一步提升棉籽营养价值。