Positive feedback regulation of a Lycium chinense-derived VDE gene by drought-induced endogenous ABA, and over-expression of this VDE gene improve drought-induced photo-damage in Arabidopsis
- 作者
- Chunfeng Guan, Jing Ji, Xuqiang Zhang, Xiaozhou Li, Chao Jin, Wenzhu Guan, Gang Wang
- 单位
- School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University; School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University; Department of Medical Genetics, Tianjin Medical University General Hospital
- 杂志
- Journal of Plant Physiology（2014）
- DOI
- 10.1016/j.jplph.2014.06.022
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
干旱胁迫下内源ABA对VDE基因表达的正反馈调控机制，以及过表达VDE基因能否提高拟南芥抗旱性和减轻光合损伤。
研究策略
从枸杞（Lycium chinense）中克隆VDE基因（LcVDE），分析其序列和组织表达特征；利用干旱胁迫、ABA处理及脱落酸合成抑制剂abamine SG处理来研究内源ABA与LcVDE表达的关系；将LcVDE在拟南芥中过表达，检测光合参数和抗旱性。
核心内容
从枸杞中克隆了紫黄质脱环氧化酶基因LcVDE，其编码470个氨基酸的多肽，分子量约53.6 kDa，含有lipocalin家族三个保守区域。在干旱胁迫下，枸杞叶片中LcVDE表达量随处理时间显著上升，14天时达峰值，同期内源ABA含量从约6.6 nmol/g DW升至最高约27 nmol/g DW，叶黄素循环脱环氧化比率和NPQ也同步升高。使用ABA合成抑制剂abamine SG后，LcVDE表达、脱环氧化比率和NPQ的上升均被削弱，表明干旱诱导的内源ABA对LcVDE表达存在正反馈调控。将LcVDE在拟南芥中过表达后，三个转基因株系在干旱处理后的存活率分别为44%、38%和48%，显著高于野生型的24%，且转基因植株的脱环氧化比率和NPQ升高更明显，Fv/Fm下降更缓慢。这些结果表明，过表达LcVDE通过增强叶黄素循环热耗散能力有效减轻了干旱造成的光合损伤，为提高作物耐旱性提供了可行策略。
创新点
首次报道内源ABA正反馈调控VDE基因表达；从木本植物枸杞中克隆并功能验证VDE基因。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Lycium chinense (枸杞) | 叶黄素循环 | LcVDE | 紫黄质脱环氧化酶 (VDE) | 催化 | 从枸杞中克隆的VDE基因，催化紫黄质(V)经花药黄质(A)转化为玉米黄质(Z)，其表达受干旱诱导的内源ABA正反馈调控。 |
| Arabidopsis thaliana (拟南芥) | 叶黄素循环 | LcVDE | 紫黄质脱环氧化酶 (VDE) | 催化 | 过表达LcVDE的转基因拟南芥在干旱胁迫下具有更高的脱环氧化比率和NPQ，Fv/Fm下降更慢，存活率显著提高。 |
关键发现
- 克隆的LcVDE基因编码470个氨基酸的多肽，分子量约53.6 kDa，其氨基酸序列包含lipocalin家族的三个保守区域。干旱胁迫下，LcVDE表达量在7天时显著上升，14天时达到最高，之后下降
- 同时叶黄素循环脱环氧化比率(Z+0.5A)/(V+A+Z)和NPQ上升。内源ABA含量在干旱处理7天时从约6.6 nmol g^-1 DW升至23.5 nmol g^-1 DW，14天达最高约27 nmol g^-1 DW，21天降至21 nmol g^-1 DW。使用abamine SG抑制ABA合成后，LcVDE表达、脱环氧化比率和NPQ的上升均被削弱。干旱胁迫下Chla含量从0.90 mg/g FW降至0.65 mg/g FW（28天），Chla/b从2.81降至2.5。干旱28天后，单独干旱处理的Fv/Fm下降约12%，干旱+abamine SG处理下降约18%。过表达LcVDE的拟南芥在干旱处理后的存活率分别为44%（line 5）、38%（line 9）和48%（line 13），而野生型仅24%
- 转基因植株的脱环氧化比率和NPQ升高更显著，Fv/Fm下降更缓慢，表现出更强的抗旱性。
研究结论
研究表明，干旱胁迫诱导的内源ABA通过正反馈方式上调LcVDE基因表达，进而增强叶黄素循环脱环氧化和NPQ，减轻光合系统损伤；过表达LcVDE能显著提高拟南芥的耐旱性。