Arabidopsis CAPRICE (MYB) and GLABRA3 (bHLH) Control Tomato (Solanum lycopersicum) Anthocyanin Biosynthesis
- 作者
- Takuji Wada, Asuka Kunihiro, Rumi Tominaga-Wada
- 单位
- Graduate School of Biosphere Sciences, Hiroshima University; Faculty of Applied Biological Science, Hiroshima University
- 杂志
- PLoS ONE（2014）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0109093
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
验证拟南芥转录因子CPC和GL3能否在番茄中调控花青素生物合成，并解析其作用机制。
研究策略
将拟南芥35S::CPC和GL3::GL3构建体转化番茄（Micro-Tom），比较转基因株系与对照的花青素表型，利用实时定量RT-PCR分析花青素生物合成途径关键酶基因（PAL、CHS、DFR、ANS）的表达水平。
核心内容
该研究将拟南芥转录因子基因35S::CPC和GL3::GL3构建体分别转化番茄Micro-Tom，以验证二者能否跨物种调控花青素生物合成。通过实时定量RT-PCR分析PAL、CHS、DFR和ANS等关键酶基因的表达，并结合表型观察，发现35S::CPC转基因番茄的子叶、叶和茎中花青素含量显著降低，而GL3::GL3中显著升高；相应途径基因mRNA在CPC株系中显著下调，在GL3株系中显著上调。光镜观察显示GL3::GL3下胚轴表皮及亚表皮2至3层细胞积累花青素，而CPC株系几乎不积累。序列比对显示番茄SITRY与CPC全长氨基酸一致性为50%，SIGL3与GL3为45%。结果表明拟南芥CPC和GL3可分别在番茄中抑制和促进花青素途径基因表达，进而调控花青素积累，该机制在拟南芥和番茄中保守；但二者不影响番茄根毛和毛状体分化，提示表皮细胞分化调控存在物种特异性。
创新点
首次在番茄中证明拟南芥CPC和GL3分别负向和正向调控花青素积累，表明该调控机制在拟南芥和番茄中保守；同时发现二者对番茄根毛和毛状体分化无显著影响，揭示表皮细胞分化调控存在物种差异。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Micro-Tom) | 花青素生物合成途径 | CPC | CAPRICE | 调控 | 拟南芥R3型MYB转录因子，负调控花青素合成 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Micro-Tom) | 花青素生物合成途径 | GL3 | GLABRA3 | 调控 | 拟南芥bHLH转录因子，正调控花青素合成 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Micro-Tom) | 花青素生物合成途径 | PAL | 苯丙氨酸解氨酶 | 催化 | 花青素生物合成早期酶基因 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Micro-Tom) | 花青素生物合成途径 | CHS | 查尔酮合酶 | 催化 | 花青素生物合成早期酶基因 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Micro-Tom) | 花青素生物合成途径 | DFR | 二氢黄酮醇还原酶 | 催化 | 花青素生物合成晚期酶基因 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum cv. Micro-Tom) | 花青素生物合成途径 | ANS | 花青素合酶/无色花色素双加氧酶 | 催化 | 花青素生物合成晚期酶基因 |
关键发现
- 获得10个T2转基因番茄株系，其中8个35S::CPC和3个GL3::GL3纯合系
- 选取35S::CPC#10、#18、#21和GL3::GL3#12进行后续分析。与对照相比，35S::CPC番茄的子叶、叶和茎中花青素含量显著降低，而GL3::GL3中显著升高（P<0.05）。PAL、CHS、DFR和ANS的mRNA表达水平在35S::CPC中显著下调，在GL3::GL3中显著上调（P<0.05）。SITRY与CPC全长氨基酸序列一致性为50%，SIGL3与GL3为45%。光镜观察显示GL3::GL3下胚轴表皮及亚表皮2-3层细胞积累花青素，而35S::CPC中几乎不积累。
研究结论
拟南芥CPC和GL3可分别在番茄中抑制和促进花青素生物合成途径基因的表达，从而调控花青素积累，表明该调控机制在拟南芥和番茄中保守；但二者不影响番茄根毛和毛状体分化，提示表皮细胞分化调控存在物种特异性。