Suppression of the β-carotene hydroxylase gene increases β-carotene content and tolerance to abiotic stress in transgenic sweetpotato plants
- 作者
- Le Kang, Chang Yoon Ji, Sun Ha Kim, Qingbo Ke, Sung-Chul Park, Ho Soo Kim, Hyeong-Un Lee, Joon Seol Lee, Woo Sung Park, Mi-Jeong Ahn, Haeng-Soon Lee, Xiping Deng, Sang-Soo Kwak
- 单位
- Plant Systems Engineering Research Center, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology (KRIBB), 125 Gwahak-ro, Daejeon 34141, South Korea; Department of Green Chemistry and Environmental Biotechnology, Korea University of Science and Technology (UST), 217 Gajeong-ro, Daejeon 34113, South Korea; Bioenergy Crop Research Institute, National Institute of Crop Science, Rural Development Administration, 199 Muan-ro, Muan-gun 58545, South Korea; College of Pharmacy and Research Institute of Life Sciences, Gyeongsang National University, 501 Jinjudeo-ro, Jinju 52828, South Korea; State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Shaanxi, China
- 杂志
- Plant Physiology and Biochemistry（2017）
- DOI
- 10.1016/j.plaphy.2017.05.017
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解决如何通过抑制β-胡萝卜素羟化酶（IbCHY-β）基因表达，在整株甘薯水平上提高β-胡萝卜素和总类胡萝卜素含量，并增强对氧化胁迫和盐胁迫的耐受性，同时保持产量不受影响。
研究策略
利用RNA干扰（RNAi）技术构建由35S启动子驱动的IbCHY-β双链RNA载体，通过农杆菌介导转化白肉甘薯品种Yulmi，获得转基因植株（RC株系），结合HPLC分析、胁迫处理、基因表达分析和ABA含量测定等方法，系统评估类胡萝卜素积累与抗逆性。
核心内容
该研究利用RNA干扰技术沉默甘薯中编码β-胡萝卜素羟化酶的IbCHY-β基因，通过农杆菌介导法转化白肉品种Yulmi，获得13个转基因RC株系。HPLC分析显示，RC5、RC6、RC7株系块根中β-胡萝卜素含量达7.63–8.71 μg/g DW，为非转基因株系（0.47 μg/g DW）的16倍以上，总类胡萝卜素含量提高2.26–2.63倍，同时β-隐黄质和玉米黄质水平也显著增加。在5 μM甲基紫精处理后，RC株系叶片膜损伤仅为正常水平的约1.6倍，远低于对照的3.5倍；块根DPPH自由基清除活性提高1.75倍。250 mM NaCl处理6天后，RC株系维持更高的PSII最大光化学效率和叶绿素含量，且NCED基因表达上调、ABA含量增加，而块根产量与对照无显著差异。该策略通过阻断β-胡萝卜素向下游转化，既实现了类胡萝卜素在块根中的积累，又借助β-胡萝卜素的活性氧清除功能增强了整株抗氧化与耐盐能力，为培育高营养且抗逆的作物提供了可行路径。
创新点
首次在整株甘薯中通过RNAi沉默IbCHY-β，使块根β-胡萝卜素含量较非转基因提高16倍以上，总类胡萝卜素提高2倍以上；同时增强了叶片抗氧化能力（DPPH活性提高1.75倍）和盐胁迫耐受性，且块根产量无显著差异；并发现NCED表达上调及ABA含量增加。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 甘薯（Ipomoea batatas cv. Yulmi） | 类胡萝卜素生物合成途径 | IbCHY-β | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | RNAi下调，导致β-胡萝卜素积累 |
| 甘薯（Ipomoea batatas cv. Yulmi） | 类胡萝卜素生物合成途径 | IbP450 | 细胞色素P450型β-羟化酶 | 催化 | 在RC株系中表达上调，可能补偿CHY-β功能 |
| 甘薯（Ipomoea batatas cv. Yulmi） | 类胡萝卜素生物合成途径 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 上游基因，在RC块根中转录水平降低 |
| 甘薯（Ipomoea batatas cv. Yulmi） | 类胡萝卜素生物合成途径 | PDS | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 上游基因，在RC块根中转录水平降低 |
| 甘薯（Ipomoea batatas cv. Yulmi） | 类胡萝卜素生物合成途径 | ZDS | ζ-胡萝卜素脱氢酶 | 催化 | 上游基因，在RC块根中转录水平降低 |
| 甘薯（Ipomoea batatas cv. Yulmi） | 类胡萝卜素生物合成途径 | LCY-β | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 分支点酶，表达水平与NT无显著差异 |
| 甘薯（Ipomoea batatas cv. Yulmi） | 类胡萝卜素生物合成途径 | LCY-ε | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 分支点酶，表达水平与NT无显著差异 |
| 甘薯（Ipomoea batatas cv. Yulmi） | 类胡萝卜素生物合成途径 | ZEP | 玉米黄质环氧酶 | 催化 | 下游基因，在RC块根中转录水平降低 |
| 甘薯（Ipomoea batatas cv. Yulmi） | 类胡萝卜素生物合成途径 | NCED | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶 | 催化 | 盐胁迫下在RC株系中显著上调，促进ABA合成 |
关键发现
- 获得13个转基因RC株系，其中RC5、RC6、RC7在块根中总类胡萝卜素含量分别为20.71、23.14、24.18 μg/g DW，是非转基因NT（9.18 μg/g DW）的2.26-2.63倍
- β-胡萝卜素含量分别为7.63、8.10、8.71 μg/g DW，是NT（0.47 μg/g DW）的16.22-18.53倍
- α-胡萝卜素无显著变化，13Z-β-胡萝卜素和9Z-β-胡萝卜素分别最高增加2.67倍和1.53倍
- β-隐黄质从0.30 μg/g DW增加至1.73-2.51 μg/g DW，玉米黄质略升至2.68-3.65 μg/g DW。叶片中总类胡萝卜素含量为3205.4-3338.2 μg/g DW，较NT（2857.7 μg/g DW）提高1.1-1.2倍，其中紫黄质提高1.7-1.8倍。在5 μM甲基紫精（MV）处理后24小时，NT叶片膜损伤约为正常水平的3.5倍，而RC株系仅约1.6倍
- RC块根DPPH自由基清除活性较NT提高1.75倍。在250 mM NaCl处理6天后，RC株系维持更高的PSII最大光化学效率（Fv/Fm）和叶绿素含量
- NCED基因表达在盐胁迫下显著上调，ABA含量高于NT。块根产量在RC与NT间无显著差异。
研究结论
通过RNAi下调IbCHY-β可显著提高甘薯块根中β-胡萝卜素和总类胡萝卜素含量，增强抗氧化能力及盐胁迫耐受性，且不影响产量；β-胡萝卜素在ROS清除和光合保护中发挥重要作用，该策略为培育高营养且耐受环境胁迫的作物提供了可行方案。