A Sweetpotato Geranylgeranyl Pyrophosphate Synthase Gene, IbGGPS, Increases Carotenoid Content and Enhances Osmotic Stress Tolerance in Arabidopsis thaliana
- 作者
- Wei Chen, Shaozhen He, Degao Liu, Gunvant B. Patil, Hong Zhai, Feibing Wang, Troy J. Stephenson, Yannan Wang, Bing Wang, Babu Valliyodan, Henry T. Nguyen, Qingchang Liu
- 单位
- Beijing Key Laboratory of Crop Genetic Improvement/Laboratory of Crop Heterosis and Utilization, Ministry of Education, China Agricultural University, Beijing, China; Division of Plant Sciences and National Center for Soybean Biotechnology, University of Missouri, Columbia, Missouri, United States of America
- 杂志
- PLoS ONE（2015）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0137623
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
从甘薯贮藏根中克隆参与类胡萝卜素生物合成的牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶基因IbGGPS，并验证其在类胡萝卜素合成和渗透胁迫耐受中的作用。
研究策略
通过RACE-PCR从甘薯贮藏根中克隆IbGGPS全长cDNA；利用GFP融合进行亚细胞定位（洋葱表皮和烟草叶片）；构建35S启动子驱动的过表达载体转化拟南芥；通过HPLC分析类胡萝卜素组分，PEG渗透胁迫实验评估耐受性，并测定SOD活性和MDA含量，同时用qRT-PCR分析下游类胡萝卜素途径基因表达。
核心内容
该研究从甘薯贮藏根中克隆了牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶基因IbGGPS，其cDNA全长1269 bp，编码363个氨基酸。通过GFP融合实验发现IbGGPS定位于洋葱质膜和烟草叶绿体。将IbGGPS在拟南芥中过表达后，转基因株系L11和L13的总类胡萝卜素含量分别达243和241 μg g⁻¹ FW，显著高于野生型的220 μg g⁻¹ FW，其中α-胡萝卜素和β-胡萝卜素含量明显增加，而β-隐黄质含量降低。在PEG渗透胁迫下，转基因株系根长显著优于野生型，L13的SOD活性升高，L11和L13的MDA含量降低，同时AtPSY1等下游类胡萝卜素合成基因表达上调约2倍。结果表明IbGGPS不仅促进类胡萝卜素积累，还通过增强抗氧化能力提高渗透胁迫耐受性，为甘薯高类胡萝卜素及抗逆品种的培育提供了重要基因资源。
创新点
首次从甘薯中克隆并功能鉴定IbGGPS基因；证明其过表达不仅提高拟南芥类胡萝卜素含量，还增强渗透胁迫耐受性；揭示了IbGGPS可能通过上调AtPSY等下游基因和增强抗氧化能力发挥作用。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 类胡萝卜素生物合成 | IbGGPS | IbGGPS | 催化 | 过表达后总类胡萝卜素含量显著增加，且增强渗透胁迫耐受性 |
| 甘薯 (Ipomoea batatas) | 类胡萝卜素生物合成 | IbGGPS | IbGGPS | 催化 | 从贮藏根中克隆，在贮藏根中高表达，茎叶中低表达 |
| 本氏烟草 (Nicotiana benthamiana) | 类胡萝卜素生物合成 | IbGGPS | IbGGPS-GFP | 催化 | 瞬时表达显示定位于叶绿体 |
| 洋葱 (Allium cepa) | 类胡萝卜素生物合成 | IbGGPS | IbGGPS-GFP | 催化 | 瞬时表达显示定位于质膜特定区域 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 类胡萝卜素生物合成 | AtPSY1, AtPDS, AtZDS, AtBCH1, AtZEP | PSY1, PDS, ZDS, BCH1, ZEP | 催化 | 转基因植株中这些下游基因表达上调，其中AtPSY1上调约2倍 |
关键发现
- 克隆的IbGGPS全长cDNA为1269 bp，含1092 bp ORF，编码363个氨基酸；IbGGPS-GFP定位于洋葱质膜特定区域和烟草叶绿体；转基因拟南芥L11和L13总类胡萝卜素含量分别为243±2.5和241±14.6 μg g-1 FW，显著高于野生型的220±0.8 μg g-1 FW；α-胡萝卜素（WT
- 328 vs L11
- 24, L13
- 938 μg g-1 FW）和β-胡萝卜素（WT
- 6 vs L11
- 1, L13
- 3 μg g-1 FW）显著增加，β-隐黄质（WT
- 998 vs L11
- 407, L13
- 612 μg g-1 FW）显著降低；PEG渗透胁迫下转基因株系根长显著长于野生型；L13的SOD活性显著升高，L11和L13的MDA含量显著降低；AtPSY1表达上调约2倍，AtBCH1、AtPDS、AtZDS、AtZEP表达也呈上调趋势。
研究结论
IbGGPS参与甘薯贮藏根中类胡萝卜素的生物合成，在拟南芥中过表达可提高类胡萝卜素含量并增强渗透胁迫耐受性，其机制可能与上调下游类胡萝卜素途径基因表达和提高抗氧化酶活性有关，为甘薯高类胡萝卜素和抗逆品种培育提供了依据。