Optimising ketocarotenoid production in potato tubers: Effect of genetic background, transgene combinations and environment
- 作者
- Raymond Campbell, Wayne L. Morris, Cara L. Mortimer, Norihiko Misawa, Laurence J.M. Ducreux, Jenny A. Morris, Pete E. Hedley, Paul D. Fraser, Mark A. Taylor
- 单位
- Cellular and Molecular Sciences, The James Hutton Institute, Invergrove, Dundee DD2 5DA, UK; School of Biological Sciences, Royal Holloway, University of London, Egham Hill, Egham, Surrey TW20 0EX, UK; Research Institute for Bioresources and Biotechnology, Ishikawa Prefectural University, Suematsu, Nonoichi-machi, Ishikawa 921-8836, Japan
- 杂志
- Plant Science（2015）
- DOI
- 10.1016/j.plantsci.2015.01.014
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
如何优化马铃薯块茎中虾青素等酮类胡萝卜素的积累水平，以实现营养强化和商业利用。
研究策略
筛选高玉米黄质、低叶黄素的马铃薯亲本基因型（01H15.57），将来自Brevundimonas sp. SD212的crtZ和crtW基因与花椰菜Or基因组合共表达，并比较不同生长环境（夏季/冬季/生长箱）和冷储条件下类胡萝卜素的积累变化。
核心内容
该研究以高玉米黄质（约占总类胡萝卜素81%）、低叶黄素的马铃薯基因型01H15.57为底盘，将来源于Brevundimonas sp. SD212的crtZ和crtW基因与花椰菜Or基因组合共表达，并在夏季、冬季和生长箱等不同环境及冷储条件下考察类胡萝卜素积累。单独表达crtZW时块茎虾青素达44.1 μg/g DW，共表达Or后最高达77.1 μg/g DW，约为此前最高报道值的6倍；Or单独表达使01H15.57和Mayan Gold总类胡萝卜素分别增加63%和55%。环境主要影响类胡萝卜素组成而非总量，冬季生长条件下野生型玉米黄质从41.6降至24.4 μg/g DW而花药黄质相应升高；冷储6个月使Mayan Gold总类胡萝卜素增加50%-100%。转录组分析显示冬季与夏季间有1278个差异表达基因。该策略通过亲本基因型筛选与多基因叠加组合，使块茎虾青素达到营养强化水平（约220 g鲜重可提供5 mg/天建议摄入量），并揭示了基因型与环境对代谢网络重塑的交互影响。
创新点
首次将Brevundimonas sp. SD212的crtZ/crtW与花椰菜Or基因叠加导入高类胡萝卜素马铃薯基因型，使块茎虾青素含量达到77 μg/g DW，是此前报道的6倍；结合转录组和代谢组分析揭示了环境和转基因引起的类胡萝卜素代谢网络重组。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Solanum tuberosum Group Phureja (马铃薯) | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtZ | CrtZ | 催化 | 来自Brevundimonas sp. SD212的β-胡萝卜素羟化酶，与crtW共表达促进β-胡萝卜素向虾青素转化 |
| Solanum tuberosum Group Phureja (马铃薯) | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtW | CrtW | 催化 | 来自Brevundimonas sp. SD212的β-胡萝卜素酮酶，负责在β-环上引入酮基 |
| Solanum tuberosum Group Phureja (马铃薯) | 类胡萝卜素生物合成途径 | Or | Or (DnaJ cysteine-rich domain-containing protein) | 区室化 | 花椰菜Or基因，诱导有色体分化形成类胡萝卜素储存库（代谢汇），提高类胡萝卜素稳定性 |
关键发现
- 选择高玉米黄质（占总类胡萝卜素约81%）的01H15.57基因型，单独表达crtZW时块茎虾青素达44.1 μg/g DW（皂化提取，占总类胡萝卜素约77%）
- 共表达Or基因后虾青素最高达77.1 μg/g DW（占皂化总类胡萝卜素约82%），是此前最高报道（13 μg/g DW）的约6倍。Or基因单独表达使01H15.57和Mayan Gold总类胡萝卜素分别增加63%和55%。叶片中ketolutein和astaxanthin分别达350 μg/g DW和60 μg/g DW。冬季/生长箱条件下，01H15.57野生型玉米黄质从41.6 μg/g DW降至24.4 μg/g DW，花药黄质从1.9 μg/g DW升至16.1 μg/g DW，但总类胡萝卜素无显著变化
- crtZW Or株系中虾青素从53.2 μg/g DW降至29.2 μg/g DW。冷储6个月下，Mayan Gold品系总类胡萝卜素增加50%-100%，01H15.57无显著变化。转录组分析显示冬季vs夏季差异表达基因1278个，Or和crtZW株系分别有948和1573个差异表达基因。
研究结论
通过选择合适亲本基因型（高玉米黄质/低叶黄素）并共表达Brevundimonas的crtZ/crtW与花椰菜Or基因，可显著提高马铃薯块茎虾青素含量（最高77 μg/g DW），达到营养相关水平（食用约220 g鲜重可提供5 mg/天建议摄入量）；环境条件主要影响类胡萝卜素组成而非总量，且Or与crtZW的效应存在基因型依赖性。