The regulation of carotenoid pigmentation in flowers
- 作者
- Changfu Zhu, Chao Bai, Georgina Sanahuja, Dawei Yuan, Gemma Farré, Shaista Naqvi, Lianxuan Shi, Teresa Capell, Paul Christou
- 单位
- Departament de Producció Vegetal i Ciència Forestal, Universitat de Lleida; School of Life Sciences, Northeast Normal University; Institucio Catalana de Recerca i Estudis Avancats
- 杂志
- Archives of Biochemistry and Biophysics（2010）
- DOI
- 10.1016/j.abb.2010.07.028
- 所属领域
- 植物代谢工程/合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
解析花中类胡萝卜素色素积累的分子调控机制，并探讨通过代谢工程创造新奇花色的可能性。
研究策略
系统综述类胡萝卜素在花中的生物合成、转录/转录后调控、降解调控、储存（色质体）机制，并结合多个物种的突变体和转基因案例总结代谢工程应用。
核心内容
该综述系统梳理了花中类胡萝卜素色素积累的多层次调控机制，并探讨了通过代谢工程创造新奇花色的可能性。作者整合了番茄、金盏花、龙胆、菊花等多个物种的突变体及转基因研究，从合成基因转录、酶活性、降解和色质体储存几个层面展开分析。关键结果包括：金盏花白色花与深橙色花中类胡萝卜素含量相差约100倍，深橙色花瓣中的含量可达叶片的20倍；龙胆花发育过程中PSY和ZDS转录上调6至7倍，而LYCE表达降至原来的约50%，表明分支代谢的流向调控至关重要；菊花中通过RNAi沉默CmCCD4a使花瓣类胡萝卜素达到102 μg/g鲜重，同时该基因表达量降至野生型的0.4%，证明降解途径对色素积累具有决定性作用。此外，在烟草中共表达CRTW和CRTZ可使蜜腺酮类胡萝卜素含量提高9倍，组成性表达CRTO则使酮类胡萝卜素占总类胡萝卜素的50%以上。这些发现说明花中类胡萝卜素含量由合成、降解与储存协同控制，通过基因过表达或抑制可在花卉中定向优化类胡萝卜素谱系，也为以花为底盘生产稀有营养型类胡萝卜素提供了可行策略。
创新点
综合多个物种（番茄、金盏花、龙胆、牵牛花、百合、藏红花、菊花、Adonis等）的类胡萝卜素调控案例，提出基于转录调控、酶活性调控、降解调控和储存调控的多层次策略，并展示通过引入酮类胡萝卜素合成基因实现新型花色的实例。
研究对象（25）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Solanum lycopersicum (番茄) | 类胡萝卜素生物合成 | PSY1/TOM5 | Phytoene synthase | 催化 | 反义抑制导致总类胡萝卜素降低80%，花变浅黄色；果实成熟时上调。 |
| Solanum lycopersicum (番茄) | 类胡萝卜素生物合成 | CRTL-b2/CYC-B | Lycopene beta-cyclase | 催化 | 反义片段引起花中积累高达12%番茄红素，果色基本不变。 |
| Solanum lycopersicum (番茄) | 类胡萝卜素生物合成 | CRTR-b1/CRTR-b2 | Beta-carotene hydroxylase | 催化 | CRTR-b2在花和果实中表达更强，CRTR-b1在叶片中表达。 |
| Tagetes erecta (金盏花) | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | Phytoene synthase | 催化 | PSY mRNA丰度与花瓣类胡萝卜素水平精确相关，是主要限速点。 |
| Tagetes erecta (金盏花) | 类胡萝卜素生物合成 | LYCE | Lycopene epsilon-cyclase | 催化 | LYCE高表达而LYCB未诱导，决定lutein的积累。 |
| Gentiana lutea (龙胆) | 类胡萝卜素生物合成 | PSY, ZDS | Phytoene synthase, Zeta-carotene desaturase | 催化 | 花发育过程中mRNA上调6-7倍。 |
| Gentiana lutea (龙胆) | 类胡萝卜素生物合成 | LYCB, BCH, ZEP | Lycopene beta-cyclase, beta-carotene hydroxylase, zeaxanthin epoxidase | 催化 | 发育中mRNA上调约2倍。 |
| Gentiana lutea (龙胆) | 类胡萝卜素生物合成 | LYCE | Lycopene epsilon-cyclase | 催化 | mRNA降至原来约50%，从epsilon分支转向beta分支。 |
| Ipomoea sp. (牵牛花) | 类胡萝卜素生物合成 | BCH | Beta-carotene hydroxylase | 催化 | 白色花中BCH表达水平低，与无法合成色质体型类胡萝卜素相关。 |
| Lilium spp. (百合) | 类胡萝卜素生物合成 | PSY, PDS, ZDS, CRTISO, BCH | 类胡萝卜素合成酶系 | 催化 | 黄色花瓣中表达上调，而红白花瓣中表达相似，白色花瓣可能由CCD降解导致。 |
| Crocus sativus (藏红花) | 类胡萝卜素生物合成 | LYCB2a | Lycopene beta-cyclase | 催化 | 表达与柱头类胡萝卜素和脱辅基类胡萝卜素含量相关，通过亚功能化获得新表达模式。 |
| Crocus sativus (藏红花) | 类胡萝卜素降解 | CsCCD4a/CsCCD4b | Carotenoid cleavage dioxygenase | 催化 | CCD1和CCD4家族，在不同区室催化类胡萝卜素裂解。 |
| Crocus sativus (藏红花) | 类胡萝卜素降解 | ZCD | Zeaxanthin 7,8(7',8') cleavage dioxygenase | 催化 | 催化zeaxanthin裂解为crocetin dialdehyde和hydroxy-beta-cyclocitral。 |
| Chrysanthemum morifolium (菊花) | 类胡萝卜素降解 | CmCCD4a | Carotenoid cleavage dioxygenase 4a | 催化 | 白色花中强表达，RNAi抑制后花变黄色；'Jimba'转基因花瓣中类胡萝卜素102 μg/g FW，表达量0.4%野生型。 |
| Adonis aestivalis (夏侧金盏花) | 酮类胡萝卜素生物合成 | Adketo1/Adketo2 | Beta-carotene 4-ketolase | 催化 | 催化beta-胡萝卜素形成4-酮基，通过酮-烯醇互变异构间接途径。 |
| Adonis aestivalis (夏侧金盏花) | 酮类胡萝卜素生物合成 | CRTH1/BCH1 | Beta-carotene hydroxylase | 催化 | 在花瓣中高表达，催化beta-胡萝卜素羟基化生成zeaxanthin。 |
| Nicotiana tabacum (烟草) | 酮类胡萝卜素生物合成 | BKT | Beta-carotene ketolase (来自Haematococcus pluvialis) | 催化 | 受番茄PDS启动子驱动，在蜜腺中产生astaxanthin等酮类胡萝卜素。 |
| Nicotiana tabacum (烟草) | 酮类胡萝卜素生物合成 | CRTW, CRTZ | Beta-carotene ketolase and hydroxylase (来自Paracoccus sp.) | 催化 | 共表达使蜜腺酮类胡萝卜素含量提高9倍。 |
| Nicotiana glauca (烟叶烟草) | 酮类胡萝卜素生物合成 | CRTO | Beta-carotene ketolase (来自Synechocystis sp. PCC 6803) | 催化 | 组成性表达导致花瓣由浅黄色变为深橙色，酮类胡萝卜素占总类胡萝卜素50%以上。 |
| Lotus japonicus (百脉根) | 酮类胡萝卜素生物合成 | CRTW | Beta-carotene ketolase (来自Agrobacterium aurantiacum) | 催化 | 过表达使花瓣由黄色变为深黄色或橙色。 |
| Cucumis sativus (黄瓜) | 类胡萝卜素储存 | CHRC | Chromoplast protein C (fibrillin) | 区室化 | 35 kDa类胡萝卜素相关蛋白，在花冠中积累，参与类胡萝卜素储存；RNAi抑制使番茄总类胡萝卜素降低30%。 |
| Cucumis sativus (黄瓜) | 类胡萝卜素储存 | CHRD | Chromoplast protein D (fibrillin) | 区室化 | 14 kDa蛋白，与CHRC类似的发育和激素响应。 |
| Brassica oleracea (花椰菜) | 质体发育/类胡萝卜素储存 | Or | DnaJ homolog | 区室化 | 突变体导致质体分裂停止并分化为积累类胡萝卜素的色质体，表达于土豆使类胡萝卜素增加6倍。 |
| Solanum lycopersicum (番茄) | 质体分裂 | FtsZ, MinD | 质体分裂蛋白 | 区室化 | 在金盏花颜色最深品种中上调，但龙胆中FtsZ表达下降，与质体复制关联不确定。 |
| Cucumis sativus (黄瓜) | 类胡萝卜素基因表达调控 | MYBYS | MYB-like transcriptional activator | 调控 | 花特异性激活CHRC启动子，促进类胡萝卜素积累。 |
关键发现
- 金盏花白色花与深橙色花类胡萝卜素含量相差约100倍，深橙色花瓣的类胡萝卜素含量是叶片的20倍
- 番茄花发育过程中类胡萝卜素含量增加约10倍，与PSY1和PDS mRNA水平上升一致
- 龙胆花发育中PSY和ZDS mRNA上调6-7倍，LYCB、BCH和ZEP上调约2倍，LYCE mRNA降至原来约50%
- 番茄wf突变体因BCH2功能缺失使总类胡萝卜素含量降低80%
- 番茄og突变体花瓣中番茄红素积累约20%
- 菊花'Jimba'表达CmCCD4a RNAi后花瓣类胡萝卜素达102 μg/g FW，CmCCD4a表达量降至野生型的0.4%
- Or基因在土豆块茎中表达使类胡萝卜素含量增加6倍
- CHRC RNAi使番茄总类胡萝卜素减少30%
- 番茄PSY1反义表达使总类胡萝卜素降低80%，花变为浅黄色
- 番茄CRTL-b2反义表达使花中积累高达12%茄红素
- 烟草中共表达CRTW和CRTZ使蜜腺酮类胡萝卜素含量提高9倍
- 组成性表达CRTO使酮类胡萝卜素占总类胡萝卜素的50%以上。
研究结论
花中类胡萝卜素积累由合成基因转录、酶活性、降解（CCD）、储存（色质体结构蛋白）等多层次机制共同调控；利用代谢工程手段（过表达、反义抑制、RNAi）可以定向改变花色，并有望利用花作为营养类胡萝卜素（包括稀有酮类胡萝卜素）的生产来源。