Molecular cloning, functional characterization and expression of potato (Solanum tuberosum) 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase 1 (StDXS1) in response to Phytophthora infestans
- 作者
- Maria Antonia Henriquez, Atta Soliman, Genyi Li, Abdelali Hannoufa, Belay T. Ayele, Fouad Daayf
- 单位
- Department of Plant Science, University of Manitoba; Agriculture and Agri-Food Canada, Morden; Department of Genetics, Faculty of Agriculture, University of Tanta; Agriculture and Agri-Food Canada, London
- 杂志
- Plant Science（2015）
- DOI
- 10.1016/j.plantsci.2015.12.001
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析马铃薯DOXP-MEP途径关键酶StDXS1在晚疫病菌侵染过程中的表达变化及其功能，探索其在植物抗病代谢中的作用。
研究策略
从马铃薯品种Russet Burbank克隆StDXS1，构建过表达载体转化拟南芥，通过qRT-PCR分析表达模式、亚细胞定位、叶绿素/类胡萝卜素/激素含量测定以及下游基因表达分析来揭示其功能。
核心内容
该研究从马铃薯品种Russet Burbank中克隆了1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶1基因StDXS1，其cDNA全长2421 bp，编码719个氨基酸，与番茄LeDXS一致性达99%，定位于叶绿体。通过qRT-PCR分析发现，接种高毒力晚疫病菌株US8后，马铃薯叶片中StDXS1转录本在12小时达到峰值，48小时后急剧下降；低毒力菌株US11处理下则相对稳定。将StDXS1过表达于拟南芥后，转基因株系叶绿素a增加10%、叶绿素b增加80%，幼苗中β-胡萝卜素和叶黄素含量显著升高，但成熟种子中反而降低；ABA含量显著下降、GA含量低于野生型，使转基因种子2天即完全萌发而野生型需3天。下游类胡萝卜素合成基因GGPPS1、GGPPS2、PSY、bLYC和LUT1表达上调，ZDS和BCH2下调。结果表明StDXS1作为DOXP-MEP途径关键酶，通过调控类胡萝卜素和激素代谢参与植物对晚疫病菌的防御反应，并影响种子萌发进程。
创新点
首次从马铃薯中克隆并功能鉴定StDXS1；证明其定位于叶绿体；发现其过表达可改变类胡萝卜素和植物激素水平，并与晚疫病防御相关。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 马铃薯（Solanum tuberosum）品种Russet Burbank | DOXP-MEP途径 | StDXS1 | DXS1 | 催化 | 从马铃薯中克隆的1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶1，定位于叶绿体，在晚疫病菌侵染时表达受到调控。 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana）哥伦比亚生态型 | DOXP-MEP途径 | StDXS1 | DXS1 | 催化 | 异源过表达马铃薯StDXS1，导致类胡萝卜素和叶绿素含量增加，ABA和GA含量降低。 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana）哥伦比亚生态型 | 类胡萝卜素生物合成 | GGPPS1 | GGPPS1 | 催化 | 过表达StDXS1后表达显著上调。 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana）哥伦比亚生态型 | 类胡萝卜素生物合成 | GGPPS2 | GGPPS2 | 催化 | 过表达StDXS1后表达显著上调。 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana）哥伦比亚生态型 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 过表达StDXS1后表达显著上调。 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana）哥伦比亚生态型 | 类胡萝卜素生物合成 | bLYC | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 过表达StDXS1后表达显著上调。 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana）哥伦比亚生态型 | 类胡萝卜素生物合成 | LUT1 | LUT1 | 催化 | 过表达StDXS1后表达显著上调。 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana）哥伦比亚生态型 | 类胡萝卜素生物合成 | ZDS | ζ-胡萝卜素脱饱和酶 | 催化 | 过表达StDXS1后表达显著下调。 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana）哥伦比亚生态型 | 类胡萝卜素生物合成 | BCH2 | β-胡萝卜素羟化酶2 | 催化 | 过表达StDXS1后表达显著下调。 |
关键发现
- StDXS1 cDNA全长2421 bp，包含2160 bp开放阅读框，编码719个氨基酸，分子量77.8 kDa，与番茄LeDXS氨基酸序列一致性达99%。在接种高毒力菌株US8的马铃薯叶片中，StDXS1转录本在12 hpi达到峰值，48 hpi后急剧下降
- 而低毒力菌株US11处理在12 hpi最高后相对稳定。过表达StDXS1的拟南芥株系中，叶绿素a增加10%、叶绿素b增加80%、总叶绿素增加23%
- 幼苗中β-胡萝卜素和叶黄素含量显著高于野生型，但成熟种子中显著低于野生型。转基因种子中ABA含量显著降低，幼苗中GA含量显著低于野生型，导致转基因种子2天完全萌发而野生型需要3天。下游基因GGPPS1、GGPPS2、AtDXS1、PSY、bLYC和LUT1表达显著上调，而ZDS和BCH2显著下调。
研究结论
StDXS1是DOXP-MEP途径的关键酶，其表达受疫霉菌侵染调节，过表达StDXS1通过影响类胡萝卜素和激素代谢提高种子萌发率，暗示其在植物防御反应中发挥重要作用。