Characterization of cassava ORANGE proteins and their capability to increase provitamin A carotenoids accumulation
- 作者
- Angelica M. Jaramillo, Santiago Sierra, Paul Chavarriaga-Aguirre, Diana Katherine Castillo, Anestis Gkanogiannis, Luis Augusto Becerra López-Lavalle, Juan Pablo Arciniegas, Tianhu Sun, Li Li, Ralf Welsch, Erick Boy, Daniel Álvarez
- 单位
- HarvestPlus, c/o The Alliance of Bioversity International and the International Center for Tropical Agriculture (CIAT), Cali, Colombia; The Alliance of Bioversity International and the International Center for Tropical Agriculture (CIAT), Cal, Colombia; Robert W. Holley Center for Agriculture and Health, USDA-ARS, Cornell University, Ithaca, New York, United States of America; Faculty of Biology II, University of Freiburg, Freiburg, Germany; HarvestPlus, International Food Policy Research Institute, Washington, DC, United States of America
- 杂志
- PLoS ONE（2022）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0262412
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
木薯块根中维生素A原类胡萝卜素含量中等，且采后损失大，难以满足膳食维生素A需求；需要挖掘内源基因来促进类胡萝卜素积累和稳定，而ORANGE（OR）蛋白在多种植物中具有此功能，但在木薯中的研究尚少。
研究策略
从木薯基因组鉴定OR基因家族，比较白色和黄色木薯品种中OR/PSY的表达、蛋白水平和类胡萝卜素含量；通过农杆菌介导转化木薯可胚性愈伤组织（FEC），单独或共表达MeOR_X1与玉米ZmPSY1，分析类胡萝卜素积累和晶体形成。
核心内容
该研究首次系统鉴定了木薯基因组中的5个ORANGE（OR）基因变体，并比较了白色与黄色木薯品种中OR/PSY的表达、蛋白水平及类胡萝卜素含量。结果显示，黄色木薯根中OR蛋白量显著高于白色品种，但转录水平无差异，提示存在翻译后调控；同时黄色品种中PSY1表达量比白色高4倍，而NCED3表达下调4-5倍。进一步通过农杆菌介导转化木薯可胚性愈伤组织（FEC），单独或共表达木薯MeOR_X1与玉米ZmPSY1。结果表明，MeOR_X1与ZmPSY1共表达使总类胡萝卜素积累比单独表达ZmPSY1提升3-4倍，并大量形成类胡萝卜素晶体，且共表达体系中ZmPSY1表达量约为单独表达时的4倍。此外，检测到黄色木薯中PSY2的SNP2（C572A）与黄色表型相关。研究揭示木薯OR蛋白通过稳定PSY并形成类胡萝卜素存储库的翻译后机制促进类胡萝卜素积累，MeOR_X1与ZmPSY1共表达策略为木薯维生素A生物强化提供了有效靶点，FEC体系可用于高通量评估基因组合方案。
创新点
首次系统鉴定木薯5个OR基因变体并分析其序列特征；发现黄色木薯根中OR蛋白量显著高于白色品种而转录水平无差异，揭示翻译后调控机制；利用FEC共表达MeOR_X1与ZmPSY1使类胡萝卜素积累提升3-4倍并大量形成晶体，为木薯生物强化提供新策略。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 木薯（Manihot esculenta Crantz）品种60444 | 类胡萝卜素生物合成 | MeOR_X1 | ORANGE蛋白X1 | 调控 | 在黄色木薯品种中蛋白量显著升高；与ZmPSY1共表达使FEC类胡萝卜素积累提高3-4倍 |
| 木薯（Manihot esculenta Crantz）品种60444 | 类胡萝卜素生物合成 | MeOR_X2 | ORANGE蛋白X2 | 调控 | 含G3A起始密码子突变，产生N端截短57个氨基酸的34.4 kDa蛋白；SNP在白色和黄色品种中均存在 |
| 木薯（Manihot esculenta Crantz）品种60444 | 类胡萝卜素生物合成 | MeOR_X4 | ORANGE蛋白X4 | 调控 | 与OR-like蛋白高度同源，可能具有冗余功能 |
| 木薯（Manihot esculenta Crantz）品种60444 | 类胡萝卜素生物合成 | ZmPSY1 | 玉米八氢番茄红素合酶1 | 催化 | 在FEC中单独过表达促进类胡萝卜素积累并诱导晶体形成；与MeOR_X1共表达时积累更高 |
| 木薯（Manihot esculenta Crantz）品种GM5309-57 (Y1) | 类胡萝卜素生物合成 | MePSY1 | 木薯八氢番茄红素合酶1 | 催化 | 黄色品种根部表达量比白色高4倍；含非沉默SNP A1154C |
| 木薯（Manihot esculenta Crantz）品种GM3736-37 (Y2) | 类胡萝卜素生物合成 | MePSY2 | 木薯八氢番茄红素合酶2 | 催化 | SNP2（C572A）与黄色表型相关，在330个品种中该位点变异与类胡萝卜素积累相关 |
| 木薯（Manihot esculenta Crantz）品种60444 | 类胡萝卜素生物合成 | MeBCH1 | β-胡萝卜素羟化酶1 | 催化 | 黄色品种Y2中表达显著下调，可能减少β-胡萝卜素降解 |
| 木薯（Manihot esculenta Crantz）品种60444 | 类胡萝卜素生物合成 | MeNCED3 | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶3 | 催化 | 黄色品种Y1和Y2中表达分别下调5倍和4倍，与ABA合成相关 |
关键发现
- 木薯基因组中含5个OR变体（MeOR_X1、MeOR_X1.2、MeOR_X2、MeOR_X3、MeOR_X4），其中MeOR_X1和MeOR_X2与已知OR蛋白高度同源
- 在黄色木薯中检出13个SNP，其中PSY2的SNP2（C572A）与黄色表型相关
- 黄色木薯中PSY1表达量比白色高4倍，但PSY蛋白量不变，而OR蛋白量显著升高（两个条带约34和29 kDa）
- MeOR_X1与ZmPSY1共表达的木薯FEC总类胡萝卜素积累比单独ZmPSY1高3-4倍，且形成大量类胡萝卜素晶体，共表达FEC中ZmPSY1表达量约为单独表达时的4倍
- 黄色木薯中NCED3表达下调4-5倍，BCH1在Y2中显著下调。
研究结论
木薯OR蛋白通过翻译后机制（稳定PSY并形成类胡萝卜素存储库）促进类胡萝卜素积累；MeOR_X1与ZmPSY1共表达能显著提高木薯FEC中的类胡萝卜素含量和晶体形成，表明OR是木薯生物强化的重要靶点，FEC可高通量评估组合基因表达策略。