Cloning and Functional Characterization of the Maize (Zea mays L.) Carotenoid Epsilon Hydroxylase Gene
- 作者
- Shu Chang, Judit Berman, Yanmin Sheng, Yingdian Wang, Teresa Capell, Lianxuan Shi, Xiuzhen Ni, Gerhard Sandmann, Paul Christou, Changfu Zhu
- 单位
- School of Life Sciences, Changchun Normal University; Department de Producció Vegetal i Ciència Forestal, Universitat de Lleida- Agrotecnic Center; School of Life Sciences, Beijing Normal University; School of Life Sciences, Northeast Normal University; Biosynthesis Group, Molecular Biosciences, Goethe University Frankfurt; Institució Catalana de Recerca i Estudis Avancats
- 杂志
- PLoS ONE（2015）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0128758
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
玉米类胡萝卜素ε-羟化酶基因CYP97C19的功能尚未被实验验证，需要克隆并功能鉴定以理解类胡萝卜素羟化步骤。
研究策略
从玉米胚乳克隆ZmCYP97C19 cDNA，构建CaMV 35S启动子驱动的表达载体，转化拟南芥lut1突变体（缺乏功能性CYP97C1），通过HPLC分析类胡萝卜素组成变化来验证功能。
核心内容
该研究从玉米胚乳中克隆了类胡萝卜素ε-羟化酶基因ZmCYP97C19，并对其功能进行了系统的实验验证。研究者将该基因置于CaMV 35S启动子控制下，转化缺乏功能性CYP97C1的拟南芥lut1突变体，通过HPLC分析转基因株系中类胡萝卜素的组成变化。结果显示，三个独立转基因株系的叶黄素含量分别占总类胡萝卜素的26.5%、32.2%和49.6%，而lut1突变体仅为痕量；同时，底物玉米黄质（zeinoxanthin）含量从突变体的36.5%分别降至15.5%、14.7%和7.3%。序列分析表明该cDNA全长编码556个氨基酸的蛋白，预测分子量为61.9 kDa，与水稻CYP97C2具有82.6%的氨基酸一致性。这些结果明确证明ZmCYP97C19编码的功能性ε-羟化酶能够在异源体系中催化玉米黄质的ε-环羟化反应生成叶黄素，是谷物叶黄素生物合成途径中的关键酶，为通过代谢工程手段强化主要谷类作物叶黄素含量提供了重要的基因资源。
创新点
首次对玉米CYP97C19进行全面的功能表征；证明了其编码的酶具有zeinoxanthin ε-环羟化活性；为谷物叶黄素生物强化提供了基因资源。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) lut1突变体 | 类胡萝卜素生物合成途径 | ZmCYP97C19 | CYP97C19 | 催化 | 异源表达玉米ε-羟化酶，恢复lutein合成 |
| 玉米 (Zea mays L.) 自交系B73 | 类胡萝卜素生物合成途径 | ZmCYP97C19 | CYP97C19 | 催化 | 从胚乳cDNA克隆，基因位于1号染色体，单拷贝 |
关键发现
- 在转基因拟南芥株系1、2、3中，lutein含量分别占总类胡萝卜素的26.5%、32.2%、49.6%，而lut1突变体仅痕量
- zeinoxanthin含量从lut1的36.5%分别降至15.5%、14.7%、7.3%
- ZmCYP97C19 cDNA全长编码556个氨基酸蛋白，预测分子量61.9 kDa
- 基因位于1号染色体，含9个内含子10个外显子
- 与水稻CYP97C2氨基酸序列相似性88.6%，一致性82.6%。
研究结论
ZmCYP97C19编码一种功能性类胡萝卜素ε-羟化酶，能够在拟南芥中催化zeinoxanthin的ε-环羟化生成lutein，是叶黄素生物合成的关键酶，可用于谷物的叶黄素生物强化。