Overexpression of the sweet potato IbOr gene results in the increased accumulation of carotenoid and confers tolerance to environmental stresses in transgenic potato
- 作者
- Young-Min Goo, Eun-Heui Han, Jae Cheol Jeong, Sang-Soo Kwak, Jaeju Yu, Yun-Hee Kim, Mi-Jeong Ahn, Shin-Woo Lee
- 单位
- Sancheong Oriental Medicinal Herb Institute; Department of Agronomy & Medicinal Plant Resources, Gyeongnam National University of Science & Technology; Plant Systems Engineering Research Center, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology (KRIBB); Department of Molecular & Cellular Biology, University of Guelph; Department of Biology Education, College of Education, and Institute of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University; College of Pharmacy and Research Institute of Life Sciences, Gyeongsang National University
- 杂志
- Comptes Rendus Biologies（2014）
- DOI
- 10.1016/j.crvi.2014.10.006
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
马铃薯对盐、干旱等环境胁迫敏感，且块茎中类胡萝卜素含量低。本研究旨在通过异源表达甘薯IbOr基因，提高马铃薯类胡萝卜素积累并增强抗逆性。
研究策略
利用SWPA2强诱导型启动子驱动IbOr基因在马铃薯（品种Atlantic）中异源表达；通过HPLC分析类胡萝卜素含量和组成，qRT-PCR检测类胡萝卜素合成基因表达，并测定盐/甲基紫精胁迫下的耐受性和DPPH自由基清除活性。
核心内容
本研究利用氧化胁迫诱导型启动子SWPA2驱动甘薯IbOr基因在马铃薯品种Atlantic中异源表达，旨在同时提升块茎类胡萝卜素含量与植株抗逆性。HPLC分析显示，转基因株系块茎总类胡萝卜素最高达38.1 μg/g干重，约为非转基因对照（13.9 μg/g干重）的2.7倍，其中紫黄质、叶黄素和β-胡萝卜素分别提高2.4至3.2倍，但未产生新类型的类胡萝卜素。qRT-PCR表明，SOR46株系块茎中Psy2、PDS、ZDS、Crtiso、Lcy-e和ZEP等合成基因转录水平提高4.6至14.8倍，然而作者认为IbOr主要通过增强类胡萝卜素代谢库而非直接调控合成基因发挥作用。功能验证显示，转基因叶片DPPH自由基清除活性提高2.4倍，盐胁迫下块茎氧化DAB含量降低50%，甲基紫精处理后离子渗漏显著低于对照。上述结果表明IbOr过表达能有效富集马铃薯块茎中已有的类胡萝卜素并增强抗氧化胁迫能力，为培育兼具高类胡萝卜素含量与耐逆性的作物提供了可行策略。
创新点
首次在异源植物马铃薯中验证IbOr基因可同时提高类胡萝卜素积累与抗逆性；使用氧化胁迫诱导型启动子SWPA2驱动表达；揭示IbOr通过增强代谢库（sink strength）而非直接调节合成基因表达来起作用。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 马铃薯 (Solanum tuberosum L. cv. Atlantic) | 类胡萝卜素生物合成 | IbOr | Or蛋白 | 区室化 | 来自甘薯，在SWPA2启动子下异源表达，促进质体分化为有色体，增强类胡萝卜素积累 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum L. cv. Atlantic) | 类胡萝卜素生物合成 | SWPA2启动子 | — | 调控 | 甘薯过氧化物酶启动子，受氧化胁迫诱导 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum L. cv. Atlantic) | 抗性筛选 | bar | 草铵膦乙酰转移酶 | 催化 | 作为T-DNA选择标记，赋予PPT抗性 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum L. cv. Atlantic) | 类胡萝卜素生物合成 | Psy1 | 八氢番茄红素合成酶1 | 催化 | 类胡萝卜素合成途径的第一个关键酶 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum L. cv. Atlantic) | 类胡萝卜素生物合成 | Psy2 | 八氢番茄红素合成酶2 | 催化 | SOR46块茎中表达上调6.0倍 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum L. cv. Atlantic) | 类胡萝卜素生物合成 | PDS | 八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | SOR46块茎中表达上调4.6倍 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum L. cv. Atlantic) | 类胡萝卜素生物合成 | ZDS | ζ-胡萝卜素脱饱和酶 | 催化 | SOR46块茎中表达上调5.6倍 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum L. cv. Atlantic) | 类胡萝卜素生物合成 | Crtiso | 胡萝卜素异构酶 | 催化 | SOR46块茎中表达上调8.0倍 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum L. cv. Atlantic) | 类胡萝卜素生物合成 | Lcy-e | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | SOR46块茎中表达上调6.0倍 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum L. cv. Atlantic) | 类胡萝卜素生物合成 | Lut1 | α-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 参与α分支合成途径 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum L. cv. Atlantic) | 类胡萝卜素生物合成 | Lcy-b | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 参与β分支合成途径 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum L. cv. Atlantic) | 类胡萝卜素生物合成 | Chy1 | β-胡萝卜素羟化酶1 | 催化 | 催化β-胡萝卜素转化为玉米黄质 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum L. cv. Atlantic) | 类胡萝卜素生物合成 | Chy2 | β-胡萝卜素羟化酶2 | 催化 | 催化β-胡萝卜素羟化反应 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum L. cv. Atlantic) | 类胡萝卜素生物合成 | ZEP | 玉米黄质环氧酶 | 催化 | SOR46块茎中表达上调14.8倍，促进紫黄质积累 |
关键发现
- IbOr过表达使转基因马铃薯块茎总类胡萝卜素最高达38.1 μg/g DW，为非转基因对照（13.9 μg/g DW）的2.7倍
- 紫黄质、叶黄素、β-胡萝卜素分别提高2.4–3.2倍，但未检测到新的类胡萝卜素类型。转化频率为5.4%（23/426外植体）。SOR46株系中ZEP、Psy2、PDS、ZDS、Crtiso、Lcy-e基因在块茎中转录水平分别提高14.8、6.0、4.6、5.6、8.0、6.0倍。SOR46叶片DPPH自由基清除活性提高2.4倍，块茎提高1.3倍
- 盐胁迫下块茎氧化DAB量降低50%。MV处理24h和48h后，转基因株系离子渗漏显著低于对照，SOR46最低。
研究结论
过表达IbOr基因能有效提高马铃薯块茎中已有类胡萝卜素的含量，并通过增强抗氧化能力赋予转基因马铃薯对盐和氧化胁迫的耐受性，为培育耐逆且富含类胡萝卜素的作物提供了可行策略。