Use of the cauliflower Or gene for improving crop nutritional quality
- 作者
- Xiangjun Zhou, Joyce Van Eck, Li Li
- 单位
- U.S. Department of Agriculture- Agricultural Research Service, Plant, Soil and Nutrition Laboratory, Department of Plant Breeding and Genetics, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA; Boyce Thompson Institute for Plant Research, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA
- DOI
- 10.1016/S1387-2656(08)00006-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
当前通过调控类胡萝卜素生物合成酶基因来增强作物营养品质的方法常常难以达到理想水平，需要寻找新的调控基因和策略。Or 基因提供了一种通过诱导形成色质体（代谢库）来促进类胡萝卜素积累的新机制。
研究策略
从自然突变体橙花椰菜中分离 Or 基因，分析其功能，证明其通过诱导色质体形成创造代谢库来促进类胡萝卜素积累，并在转基因马铃薯中验证该策略的有效性。
核心内容
该研究从自然突变体橙花椰菜中分离并克隆了Or基因，发现其插入一个4.7 kb copia-like LTR逆转座子，产生三个可变剪接转录本。Or基因编码一个305氨基酸、约33.5 kDa的质体靶向蛋白，含两个跨膜域和C端半胱氨酸富集锌指结构域。功能分析表明，Or并非直接调控类胡萝卜素生物合成酶基因，而是通过诱导非绿色质体分化为色质体，为类胡萝卜素积累提供代谢库。纯合Or植株花球组织积累约8 μg/g鲜重β-胡萝卜素，较野生型提高数百倍。在转基因马铃薯块茎中，Or基因使总类胡萝卜素含量增加超过6倍，冷储藏可进一步提高积累水平。研究还比较了其他策略，如过表达pepper fibrillin使番茄果实类胡萝卜素增加2倍，Golden Rice 2总类胡萝卜素达37 μg/g。该研究提供了一种与传统生物合成酶基因工程互补的新策略，尤其适用于低色素贮藏组织的营养强化，将代谢库增强与代谢通量提升相结合有望实现更高效的类胡萝卜素积累。
创新点
发现并克隆了花椰菜 Or 基因，揭示其编码含半胱氨酸富集锌指结构域的质体靶向蛋白，通过诱导非绿色质体分化成色质体形成代谢库，而非直接调控生物合成途径来促进类胡萝卜素积累；提供了一种新的分子工具，可与传统的生物合成基因工程方法互补。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 花椰菜 | 类胡萝卜素生物合成 | Or | OR | 调控 | 通过诱导色质体形成提供代谢库，促进β-胡萝卜素积累 |
| 马铃薯 | 类胡萝卜素生物合成 | Or | OR | 调控 | 块茎特异表达，诱导色质体形成，总类胡萝卜素增加6倍以上 |
| 花椰菜 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合成酶 | 催化 | 催化GGPP缩合形成八氢番茄红素，是类胡萝卜素生物合成的关键酶 |
| 花椰菜 | 类胡萝卜素生物合成 | PDS | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 参与八氢番茄红素向ζ-胡萝卜素的脱氢反应 |
| 花椰菜 | 类胡萝卜素生物合成 | ZDS | ζ-胡萝卜素脱氢酶 | 催化 | 催化ζ-胡萝卜素向番茄红素转化 |
| 花椰菜 | 类胡萝卜素生物合成 | LCYB | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 催化番茄红素环化生成β-胡萝卜素 |
| 花椰菜 | 类胡萝卜素生物合成 | LCYE | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 催化番茄红素环化生成α-胡萝卜素 |
| 花椰菜 | 类胡萝卜素生物合成 | CHYB | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 催化β-胡萝卜素羟基化生成玉米黄质 |
| 水稻 | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | 细菌八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 在黄金稻中用于合成β-胡萝卜素 |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素裂解 | AtCCD1 | 类胡萝卜素裂解双加氧酶 | 催化 | 在9,10位对称裂解类胡萝卜素，生成C13产物等 |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素裂解 | NCED | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶 | 催化 | 参与脱落酸合成，裂解11,12双键 |
| 番茄 | 类胡萝卜素积累 | DET1 | DET1蛋白 | 调控 | 光形态建成调控因子，果实特异性抑制可增加类胡萝卜素和类黄酮含量 |
| 番茄 | 类胡萝卜素积累 | CRY2 | 隐花色素2 | 调控 | 蓝光受体，过表达增加果实番茄红素含量 |
| 番茄 | 类胡萝卜素积累 | fib | 纤维蛋白（fibrillin） | 区室化 | 参与色质体脂蛋白结构，过表达使番茄果实类胡萝卜素增加2倍 |
| 黄瓜 | 类胡萝卜素积累 | CHRC | 质体脂质相关蛋白 | 区室化 | 参与类胡萝卜素在色质体中的结合与沉积 |
关键发现
- 野生型花椰菜 curd 组织类胡萝卜素含量可忽略，而 Or 纯合植株外 curd 组织积累约 8 μg/g 鲜重 β-胡萝卜素，比野生型高数百倍。Or 基因插入一个
- 7 kb copia-like LTR 逆转座子，导致外显子3产生三个可变剪接转录本。Or 基因编码一个 305 氨基酸、约
- 5 kDa 的质体靶向蛋白，具有两个跨膜域和 C 端半胱氨酸富集锌指结构域。在转基因马铃薯块茎中，Or 基因使总类胡萝卜素含量增加超过 6 倍，并积累 β-胡萝卜素及八氢番茄红素、六氢番茄红素、ζ-胡萝卜素等中间产物；冷储藏可进一步提高其含量。过表达 pepper fibrillin 基因使番茄果实类胡萝卜素增加 2 倍；下调 LeCHRC 使番茄花类胡萝卜素减少 30%。Golden Rice 2 中总类胡萝卜素达 37 μg/g。
研究结论
Or 基因通过诱导色质体形成提供类胡萝卜素沉积的代谢库，从而显著促进类胡萝卜素积累；该策略与传统代谢工程方法互补，特别适用于低色素组织（如贮藏器官）的营养强化。同时，将增强'代谢库'与提高代谢通量相结合将更有前途。