Identification of genes coding for functional zeaxanthin epoxidases in the diatom Phaeodactylum tricornutum
- 作者
- Ulrike Eilers, Lars Dietzel, Jürgen Breitenbach, Claudia Büchel, Gerhard Sandmann
- 单位
- Department of Molecular Bioscience, J.W. Goethe University, Max-v-Laue Str. 9, D-60438 Frankfurt, Germany
- 杂志
- Journal of Plant Physiology（2016）
- DOI
- 10.1016/j.jplph.2016.01.006
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
鉴定硅藻Phaeodactylum tricornutum中三个推定的玉米黄质环氧化酶基因（zep1、zep2和zep3）的功能，确定哪些编码功能性酶并参与叶黄素循环。
研究策略
利用拟南芥npq2突变体（缺乏玉米黄质环氧化酶）进行基因互补实验，将硅藻的三个zep基因转入突变体，通过分析类胡萝卜素组成、非光化学淬灭（NPQ）动力学以及亚细胞定位和同源建模来评估基因功能。
核心内容
该研究通过拟南芥npq2突变体互补实验，系统鉴定了硅藻Phaeodactylum tricornutum中三个推定的玉米黄质环氧化酶基因的功能。将硅藻zep1、zep2和zep3分别转入缺乏玉米黄质环氧化酶的npq2突变体后，通过分析类胡萝卜素组成、非光化学淬灭动力学、亚细胞定位及同源建模评估各基因的催化活性。结果显示，zep2和zep3成功恢复了玉米黄质的环氧化功能：表达zep2的转化体中花药黄质积累至503.5 μg/g dw，同时叶黄素含量降至52.4 μg/g dw并产生了叶黄素-5,6-环氧化物，表明Zep2具有广泛的底物特异性；表达zep3的转化体中紫黄质和花药黄质水平接近野生型，NPQ松弛速度加快；而zep1转化体的类胡萝卜素组成与npq2突变体无异，尽管其蛋白能导入叶绿体却无催化活性。转录分析显示zep3表达量约为zep2的160倍。上述结果首次证明Zep2和Zep3是功能性酶，其中Zep2凭借宽底物特异性可能参与硅藻主要的diadinoxanthin循环环氧化反应，Zep3则负责紫黄素-玉米黄素循环，为解析硅藻叶黄素循环的分子基础提供了关键依据。
创新点
首次通过植物体内互补实验证明硅藻zep2和zep3编码功能性玉米黄质环氧化酶，而zep1无催化活性；发现Zep2具有广泛的底物特异性，能同时环氧化玉米黄质和叶黄素；提出了Zep2可能参与硅藻中diadinoxanthin循环的环氧化反应。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana）npq2突变体 | 类胡萝卜素生物合成（玉米黄质→花药黄质→紫黄质） | zep1 (Pt45845) | Zep1 | 催化 | 在拟南芥中表达并导入叶绿体，但无玉米黄质环氧化酶活性 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana）npq2突变体 | 类胡萝卜素生物合成（玉米黄质→花药黄质→紫黄质） | zep2 (Pt56488) | Zep2 | 催化 | 具有玉米黄质环氧化酶活性，底物谱广，可催化叶黄素-5,6-环氧化 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana）npq2突变体 | 类胡萝卜素生物合成（玉米黄质→花药黄质→紫黄质） | zep3 (Pt56492) | Zep3 | 催化 | 具有玉米黄质环氧化酶活性，恢复NPQ动力学 |
| Phaeodactylum tricornutum | 叶黄素循环（紫黄素-玉米黄素循环和diadinoxanthin-diatoxanthin循环） | zep1, zep2, zep3 | Zep1, Zep2, Zep3 | 催化 | 基因来源生物，三个候选基因在基因组中鉴定，zep2可能参与diadinoxanthin循环 |
关键发现
- 在npq2-zep2和npq2-zep3转化体中，玉米黄质环氧化得到恢复。npq2-zep2中花药黄质含量高达503.5±45.7 μg/g dw，叶黄素含量降至52.4±4.7 μg/g dw，并产生叶黄素-5,6-环氧化物
- npq2-zep3中紫黄质（50.5±8.5 μg/g dw）、花药黄质（53.5±6.3 μg/g dw）和叶黄素（603.2±100.9 μg/g dw）水平接近野生型。npq2-zep1未恢复环氧化，其类胡萝卜素组成与npq2相似（玉米黄质559.4±96.3 μg/g dw）。NPQ动力学上，npq2-zep3部分恢复（最大值接近npq2但松弛更快），npq2-zep2的NPQ值约0.3，低于野生型。Zep1蛋白能导入叶绿体但无活性。qRT-PCR显示zep3转录水平最高，是zep2的约160倍。
研究结论
Zep2和Zep3是功能性玉米黄质环氧化酶，而Zep1无功能。Zep2具有宽的底物特异性，可能参与硅藻的主要叶黄素循环（diadinoxanthin-diatoxanthin循环），Zep3则参与紫黄素-玉米黄素循环。