cDNAs for the synthesis of cyclic carotenoids in petals of Gentiana lutea and their regulation during flower development
- 作者
- Changfu Zhu, Saburo Yamamura, Masashiro Nishihara, Hiroyuki Koiwa, Gerhard Sandmann
- 单位
- Iwate Biotechnology Research Center; Biosynthesis Group, Botanik 213, J. Wolfgang Goethe Universität; Institute of Genetics and Cytology, Northeast Normal University
- 杂志
- Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Gene Structure and Expression（2003）
- DOI
- 10.1016/S0167-4781(03)00017-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
揭示龙胆花瓣中环状类胡萝卜素合成基因的转录调控机制，解释类胡萝卜素合成分支间代谢流分配的分子基础。
研究策略
从龙胆花瓣cDNA文库中分离番茄红素ε-环化酶、番茄红素β-环化酶、β-胡萝卜素羟化酶和玉米黄质环氧酶cDNA，在大肠杆菌中进行功能互补验证，并通过Northern blot分析不同花发育阶段的转录水平与类胡萝卜素组成。
核心内容
该研究从龙胆花瓣cDNA文库中分离了番茄红素ε-环化酶（lcy-e）、番茄红素β-环化酶（lcy-b）、β-胡萝卜素羟化酶（bhy）和玉米黄质环氧酶（zep）四个环状类胡萝卜素合成相关基因，并在大肠杆菌中进行功能互补验证。通过Northern blot分析不同花发育阶段的转录水平并结合类胡萝卜素组成测定，揭示了代谢流分配机制。结果显示，总类胡萝卜素含量从花发育早期S1的450 μg/g干重增至后期S5的766 μg/g干重；lcy-e转录水平在S5降至S1的43%，而lcy-b、bhy、zep分别升至190%、193%和182%。相应地，叶黄素比例从43.4%降至30.2%，玉米黄质比例从2.5%升至11.1%。该研究首次克隆了龙胆中这四个基因，并证明花发育过程中通过下调lcy-e、上调β-分支基因，将代谢流从α-胡萝卜素/叶黄素分支转向β-胡萝卜素及其衍生物，尤其是增加玉米黄质积累以增强光保护，为理解植物类胡萝卜素合成分支的转录调控提供了分子基础。
创新点
首次克隆了龙胆中四个环状类胡萝卜素合成相关基因；发现花发育过程中lycopene ε-cyclase基因转录下调、β-分支基因上调，从而将代谢流从α-分支转向β-分支。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 类胡萝卜素合成通路 | lcy-e | lycopene ε-cyclase | 催化 | 催化番茄红素加ε-环生成δ-胡萝卜素；在龙胆花发育过程中转录水平下调（S5为S1的43%） |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素合成通路 | lcy-b | lycopene β-cyclase | 催化 | 催化番茄红素加β-环生成β-胡萝卜素；花发育过程中转录水平上调至190% |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素合成通路 | bhy | β-carotene hydroxylase | 催化 | 催化β-胡萝卜素羟化生成β-隐黄质和玉米黄质；转录水平上调至193% |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素合成通路 | zep | zeaxanthin epoxidase | 催化 | 催化玉米黄质环氧化生成花药黄质和紫黄质；转录水平上调至182% |
关键发现
- 总类胡萝卜素含量从S1的450 μg/g dw增至S5的766 μg/g dw
- lcy-e转录水平在S5降至S1的43%，lcy-b、bhy、zep分别升至190%、193%和182%
- 叶黄素比例从43.4%降至30.2%，玉米黄质比例从2.5%升至11.1%，新黄质在S5为6.1%。
研究结论
花发育过程中，类胡萝卜素合成增强，同时通过下调lcy-e和上调lcy-b、bhy、zep，代谢流从α-胡萝卜素/叶黄素分支转向β-胡萝卜素及其衍生物，特别是增加玉米黄质积累以增强光保护。