Genome-wide identification and characterization of genes involved in carotenoid metabolic in three stages of grapevine fruit development
- 作者
- Xiangpeng Leng, Peipei Wang, Chen Wang, Xudong Zhu, Xiaopeng Li, Hongyan Li, Qian Mu, Ao Li, Zhongjie Liu, Jinggui Fang
- 杂志
- Scientific Reports（2017）
- DOI
- 10.1038/s41598-017-04004-0
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
葡萄果实发育和成熟过程中类胡萝卜素代谢相关基因的全基因组鉴定与转录调控机制尚不清楚
研究策略
以拟南芥类胡萝卜素代谢基因序列为查询序列，通过BLAST-P在葡萄基因组中同源搜索获得54个相关基因；利用三个果实发育阶段（绿果期、转色期、成熟期）的RNA-seq转录组数据（GSE77218）分析表达谱；测定类胡萝卜素和叶绿素含量；进行染色体定位、基因重复、内含子/外显子结构、系统进化分析，并用qRT-PCR验证RNA-seq结果。
研究路线图
核心内容
该研究以拟南芥类胡萝卜素代谢基因序列为查询，通过BLAST-P同源搜索在葡萄基因组中系统鉴定出54个类胡萝卜素代谢相关基因，分属MVA途径10个、MEP途径13个、类胡萝卜素生物合成24个及分解代谢7个，分布于17条染色体上。结合三个果实发育阶段的RNA-seq数据、类胡萝卜素与叶绿素含量测定、染色体定位和进化分析，发现总类胡萝卜素含量从绿果期的7.51 μg/g fw降至成熟期的2.19 μg/g fw，叶绿素a和b分别降低3.7倍和3.2倍。31个转录本显著差异表达，qRT-PCR验证一致率约87.5%。关键结果显示，VvDXS、VvDXR、VvGGPPS、VvPSY表达下调，而VvCCD1、VvCCD4b表达上升，与类胡萝卜素含量下降显著相关；叶绿素减少源于合成受阻和降解加速。串联重复和片段重复是基因家族扩张的重要机制。该研究揭示转录调控是葡萄果实类胡萝卜素积累的核心机制，为葡萄品质改良和代谢工程提供了重要的基因资源和理论依据。
创新点
首次在葡萄中系统鉴定54个类胡萝卜素代谢相关基因并分析其表达和进化特征；整合转录组与类胡萝卜素含量数据，揭示转录调控是类胡萝卜素积累的关键机制；明确VvDXS、VvDXR、VvGGPPS、VvPSY下调和VvCCD上调与类胡萝卜素含量下降相关；发现串联重复和片段重复是葡萄类胡萝卜素基因家族扩张的重要机制。
研究对象（40）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 甲羟戊酸（MVA）途径 | VvAACT1 | 乙酰辅酶A乙酰转移酶（AACT） | 催化 | MVA途径第一步反应 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 甲羟戊酸（MVA）途径 | VvAACT2 | 乙酰辅酶A乙酰转移酶（AACT） | 催化 | 表达量约为VvAACT1的5.8倍 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 甲羟戊酸（MVA）途径 | VvHMGS | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶（HMGS） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 甲羟戊酸（MVA）途径 | VvHMGR1 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGR） | 催化 | 绿果期表达最高 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 甲羟戊酸（MVA）途径 | VvHMGR2 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGR） | 催化 | 绿果期表达最高 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 甲羟戊酸（MVA）途径 | VvHMGR3 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGR） | 催化 | 成熟期表达最高 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 甲羟戊酸（MVA）途径 | VvMVK | 甲羟戊酸激酶（MVK） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 甲羟戊酸（MVA）途径 | VvpMVK | 磷酸甲羟戊酸激酶（PMK） | 催化 | 注释为pMVK |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 甲羟戊酸（MVA）途径 | VvMDC | 甲羟戊酸-5-焦磷酸脱羧酶（MDC） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 甲羟戊酸（MVA）途径 | VvFPS | 法尼基焦磷酸合酶（FPS） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | VvDXS1 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（DXS） | 催化 | MEP途径中表达量最高，可能主导果实类胡萝卜素积累 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | VvDXS2 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（DXS） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | VvDXS3 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（DXS） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | VvDXS4 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（DXS） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | VvDXS5 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（DXS） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | VvDXS6 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（DXS） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | VvDXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶（DXR） | 催化 | 与VvDXS1表达趋势一致 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | VvMCT | 4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藓醇合酶（MCT） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | VvCMK | 4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶（CMK） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | VvMDS | 2-C-甲基-D-赤藓醇-2,4-环二磷酸合酶（MDS） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | VvHDS | 1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基-4-二磷酸合酶（HDS） | 催化 | 含19个外显子 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | VvHDR | 1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基-4-二磷酸还原酶（HDR） | 催化 | 成熟期表达上升 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 | VvIDI | 异戊烯基二磷酸异构酶（IDI） | 催化 | 表达逐渐上升 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VvGGPPS1 | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶（GGPPS） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VvGGPPS2 | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶（GGPPS） | 催化 | 果实中表达量最高 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VvGGPPS-LS | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶长链型（GGPPS-LS） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VvGGPPS-SS | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶短链型（GGPPS-SS） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VvPSY1 | 八氢番茄红素合酶（PSY） | 催化 | 转色期开始升高，成熟期下降 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VvPSY2 | 八氢番茄红素合酶（PSY） | 催化 | 成熟期急剧升高 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VvPSY3 | 八氢番茄红素合酶（PSY） | 催化 | 果实中不表达 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VvPDS | 八氢番茄红素脱饱和酶（PDS） | 催化 | 绿果期最高，成熟期降低 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VvZ-ISO | ζ-胡萝卜素异构酶（Z-ISO） | 催化 | 成熟期表达最高 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VvZDS | ζ-胡萝卜素脱饱和酶（ZDS） | 催化 | 成熟期表达最高 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VvCRTISO1 | 原番茄红素异构酶（CRTISO） | 催化 | 表达量高于VvCRTISO2 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VvCRTISO2 | 原番茄红素异构酶（CRTISO） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VvLCYE | 番茄红素ε-环化酶（LCYE） | 催化 | 转色期到成熟期表达下降 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VvLCYB | 番茄红素β-环化酶（LCYB） | 催化 | 成熟期表达升高 |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VvCHYB1 | β-胡萝卜素羟化酶（CHYB） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VvCHYB2 | β-胡萝卜素羟化酶（CHYB） | 催化 | — |
| 葡萄（Vitis vinifera cv. Fujiminori） | 类胡萝卜素生物合成途径 | VvCYP97C | β-胡萝卜素羟化酶（CYP97C） | 催化 | — |
关键发现
- 共鉴定54个类胡萝卜素代谢相关基因，其中MVA途径10个、MEP途径13个、类胡萝卜素生物合成24个、分解代谢7个，分布于19条染色体中的17条（1号和15号染色体上没有）
- 总类胡萝卜素含量从绿果期的7.51 μg/g fw降至成熟期的2.19 μg/g fw
- 叶绿素a和叶绿素b分别降低3.7倍和3.2倍
- VvAACT2平均RPKM为321.8±71，约为VvAACT1（55.0±13）的5.8倍
- 31个转录本显著差异表达（|log2FC|≥1），20个轻度变化（0.25<|log2FC|<1），VvPSY3和VvCCD8在三个发育阶段几乎不表达
- qRT-PCR验证与RNA-seq结果一致率为87.5%
- VvDXS1在MEP途径中表达最高，VvDXS、VvDXR、VvGGPPS、VvPSY表达下降且VvCCD1、VvCCD4b表达上升，与类胡萝卜素含量下降显著相关
- 叶绿素含量下降伴随类胡萝卜素下降，叶绿素合成受阻和降解加速共同导致叶绿素减少
- 9个类胡萝卜素基因无内含子，VvHDS含19个外显子，VvCYP97A基因序列最长约22 kb。
研究结论
葡萄类胡萝卜素积累主要受类胡萝卜素生物合成途径基因的转录调控；VvDXS、VvDXR、VvGGPPS和VvPSY的下调以及VvCCD转录水平的显著升高是果实成熟过程中类胡萝卜素含量降低的主要原因；叶绿素含量的下降源于合成受阻和降解加速；这些结果为葡萄类胡萝卜素代谢工程和品质改良提供了重要参考。