Supply of precursors for carotenoid biosynthesis in plants
- 作者
- Manuel Rodríguez-Concepcion
- 单位
- Centre for Research in Agricultural Genomics (CRAG) CSIC-IRTA-UAB, Jordi Girona 18, 08034 Barcelona, Spain
- 杂志
- Archives of Biochemistry and Biophysics（2010）
- DOI
- 10.1016/j.abb.2010.06.016
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
类胡萝卜素生物合成前体（IPP/DMAPP/GGPP）供给不足，以及MEP途径与类胡萝卜素途径之间缺乏协调，限制了植物类胡萝卜素的高效生物技术生产
研究策略
系统综述MEP途径合成类胡萝卜素前体的酶学步骤、限速步骤（DXS、DXR、HDR），并分析MEP途径与类胡萝卜素途径在转录和转录后水平的交叉调控，以及光信号（PIF）介导的协调机制
核心内容
该论文系统综述了植物类胡萝卜素生物合成前体供给的调控机制，重点关注MEP途径与类胡萝卜素途径之间的协调关系。文章指出MEP途径是植物类胡萝卜素合成的主要前体来源，而MVA途径贡献有限，药理学实验证实抑制MEP途径可显著降低类胡萝卜素积累，而抑制MVA途径则无明显影响。DXS、DXR和HDR被鉴定为MEP途径的关键限速酶，过表达DXS或HDR可提升拟南芥光合组织中的类胡萝卜素含量，过表达DXS也能提高马铃薯块茎中八氢番茄红素水平。在调控机制方面，该文揭示了PIF1转录因子直接结合PSY启动子中的G-box基序抑制其转录，同时通过间接机制抑制DXS表达；光照促进PIF降解从而解除抑制，使PSY和DXS快速上调。此外还发现了PSY活性反馈上调DXS蛋白积累的翻译后调控新机制。这些发现表明，通过操纵PIF介导的转录调控和PSY反馈回路，可望实现前体供给与类胡萝卜素合成的协同优化，为作物类胡萝卜素含量改良提供了新的调控靶点。
创新点
整合MEP途径与类胡萝卜素途径的调控网络，提出前体供给与类胡萝卜素合成需要协同调控；揭示PIF1直接抑制PSY并间接抑制DXS的转录调控新机制，以及PSY活性反馈上调DXS蛋白积累的翻译后调控
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 | MEP途径 | DXS | DXS | 催化 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶，MEP途径第一个限速酶，催化丙酮酸与GAP缩合生成DXP |
| 拟南芥 | MEP途径 | DXR | DXR | 催化 | DXP还原异构酶，催化DXP重排还原为MEP，也是限速控制点之一 |
| 拟南芥 | MEP途径 | HDR | HDR | 催化 | HMBPP还原酶，催化HMBPP转化为IPP和DMAPP的混合物，限速酶之一 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成途径 | PSY1 | PSY1 | 催化 | 八氢番茄红素合酶，番茄果实特异性表达的PSY异构体，催化GGPP缩合为八氢番茄红素，果实成熟时表达上调 |
| 玉米 | 类胡萝卜素生物合成途径 | GGPPS1 | GGPPS1 | 催化 | GGPP合酶，催化IPP与DMAPP缩合生成GGPP，在玉米3个GGPPS基因中仅GGPPS1与胚乳类胡萝卜素含量正相关 |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素生物合成途径 | PSY | PSY | 催化 | 八氢番茄红素合酶，催化GGPP生成八氢番茄红素，是类胡萝卜素途径的限速步骤，其启动子含G-box基序 |
| 拟南芥 | MEP途径与类胡萝卜素途径交叉调控 | PIF1 | PIF1 | 调控 | bHLH转录因子，直接结合PSY启动子G-box（CACGTG）抑制PSY转录，并通过间接机制抑制DXS表达；光照诱导PIF降解，解除抑制 |
关键发现
- MEP途径是植物类胡萝卜素生物合成的主要前体来源，而MVA途径贡献有限
- 用fosmidomycin抑制MEP途径会使光萌发幼苗和番茄果实产生与norflurazon抑制类胡萝卜素合成相似的表型，而用mevinolin抑制MVA途径则不影响类胡萝卜素积累。DXS、DXR和HDR是MEP途径的限速酶，过表达DXS或HDR可提高拟南芥光合组织中的类胡萝卜素含量，过表达DXS可提高马铃薯块茎中的八氢番茄红素水平。拟南芥基因组中GGPPS基因超过10个，玉米的3个GGPPS基因中仅GGPPS1与胚乳类胡萝卜素含量正相关。PSY启动子含G-box（CACGTG）基序，PIF1直接结合该基序抑制PSY转录，而DXS启动子无G-box，PIF1通过间接机制抑制DXS表达
- 光照导致PIF降解，解除抑制，使PSY和DXS表达快速上调。此外，PSY活性上调可通过反馈机制在转录后水平增加DXS蛋白积累。
研究结论
确保MEP途径向类胡萝卜素途径供应充足前体，需要通过转录水平（如PIF调控）和翻译后水平（如PSY反馈）协调MEP途径与类胡萝卜素生物合成，未来可在模式作物中通过合理操纵这些调控节点来提高类胡萝卜素含量。