Constitutive expression of CaPLA1 conferred enhanced growth and grain yield in transgenic rice plants
- 作者
- Ki Youl Park, Eun Yu Kim, Young Sam Seo, Woo Taek Kim
- 单位
- Department of Systems Biology, College of Life Science and Biotechnology, Yonsei University, Seoul 120-749, Korea; Present Address: Research Institute, Korea Ginseng Corp., Daejeon 305-805, Korea
- 杂志
- Plant Molecular Biology（2016）
- DOI
- 10.1007/s11103-016-0440-4
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
探究辣椒磷脂酶A1（CaPLA1）在水稻中的过表达是否能增强生长和提高籽粒产量，并揭示其作用机制。
研究策略
通过农杆菌介导法将CaPLA1基因置于玉米泛素启动子（Ubi）下转入水稻，获得T4代转基因株系，从表型、细胞学、转录组和生化水平分析其生长、产量及相关基因表达的变化。
核心内容
该研究通过农杆菌介导法，将辣椒磷脂酶A1基因（CaPLA1）置于玉米泛素启动子下转入水稻，获得T4代转基因株系，系统评估其促生长和增产潜力。结果显示，转基因幼苗根长约为野生型的3.5倍，茎长约1.5倍；4周龄时根长7.1–7.8厘米，茎长27.7–27.8厘米，显著高于野生型。细胞学分析表明，叶鞘表皮细胞数量增加1.4–1.8倍，而细胞长度从94.0微米缩短至约50微米，提示细胞增殖加速。转录组与生化分析揭示，细胞周期基因CycB1.1和CycD3.1分别上调57.6–84.0倍和61.8–184.7倍，脂质代谢基因ACX、MS和PEPCK上调3.5–19.0倍；叶片丙二醛含量较野生型降低约35%，而过氧化物酶活性上调1.7–1.8倍，表明膜过氧化状态减轻。此外，异戊二烯合成途径关键酶HMGR活性上调1.3–1.5倍。田间试验中，转基因株高增加约20%，分蘖数增多，每株产量提高1.6–2.4倍。这些结果证实，CaPLA1组成性表达通过调控细胞增殖、脂质代谢、膜氧化稳态及异戊二烯生物合成，协同促进水稻生长并显著提升籽粒产量，为作物高产改良提供了新的基因资源。
创新点
首次在作物水稻中验证CaPLA1过表达可显著促进生长和提高产量；揭示了其通过调控细胞增殖、脂质代谢、降低膜过氧化状态及增强异戊二烯生物合成来发挥作用。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻 (Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Dong-Jin) | 磷脂代谢 | CaPLA1 | Phospholipase A1（磷脂酶A1） | 催化 | 来自辣椒的胞质II类磷脂酶A1，过表达增强水稻生长和产量 |
| 水稻 (Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Dong-Jin) | 细胞周期调控 | CycA2.1 (LOC_Os12g31810) | A型细胞周期蛋白 | 调控 | 细胞周期标记基因，表达上调 |
| 水稻 (Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Dong-Jin) | 细胞周期调控 | CycB1.1 (LOC_Os01g59120) | B型细胞周期蛋白 | 调控 | 细胞周期标记基因，表达显著上调 |
| 水稻 (Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Dong-Jin) | 细胞周期调控 | CycD3.1 (LOC_Os09g02360) | D型细胞周期蛋白 | 调控 | 细胞周期标记基因，表达显著上调 |
| 水稻 (Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Dong-Jin) | 脂肪酸β-氧化 | ACX (LOC_Os06g01390) | 酰基辅酶A氧化酶 | 催化 | 脂质代谢关键酶，表达上调 |
| 水稻 (Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Dong-Jin) | 乙醛酸循环 | MS (LOC_Os04g40990) | 苹果酸合酶 | 催化 | 脂质代谢关键酶，表达上调 |
| 水稻 (Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Dong-Jin) | 糖异生 | PEPCK (LOC_Os03g15050) | 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 | 催化 | 脂质代谢关键酶，表达上调 |
| 水稻 (Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Dong-Jin) | 异戊二烯/萜类生物合成 | Terpenoid synthase (LOC_Os03g0347900) | 萜烯合酶 | 催化 | 异戊二烯合成基因，表达上调 |
| 水稻 (Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Dong-Jin) | 异戊二烯/甾醇生物合成 | HSD (LOC_Os02g0715200) | 3-β羟基类固醇脱氢酶/异构酶 | 催化 | 异戊二烯合成基因，表达上调 |
| 水稻 (Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Dong-Jin) | 甲羟戊酸途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 异戊二烯合成限速酶，转录和酶活性均上调 |
| 水稻 (Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Dong-Jin) | 活性氧清除/氧化还原 | Peroxidase 1 (LOC_Os07g44590) | 过氧化物酶1 | 催化 | ROS清除酶，转录和酶活性上调，降低膜过氧化 |
关键发现
- 转基因幼苗根长约为野生型3.5倍，茎长约为1.5倍，根冠比约为野生型2倍；4周龄时转基因根长7.1-7.8 cm（野生型5.9 cm），茎长27.7-27.8 cm（野生型22.5 cm）；叶鞘表皮细胞数增加1.4-1.8倍，细胞长度从94.0 μm缩短至约50 μm；细胞周期基因CycA2.1、CycB1.1、CycD3.1分别上调2.8-3.1倍、57.6-84.0倍、61.8-184.7倍；大田成熟转基因株高约高20%，分蘖数8.4-14.2 vs
- 0，每株产量提高1.6-2.4倍；穗长15.9 vs
- 3-21.8 cm，每穗粒数增加1.2-1.9倍；脂质代谢基因ACX、MS、PEPCK分别上调3.5-19.0倍、2.6-3.4倍、1.6-6.0倍；转基因叶片MDA含量约3.3-3.7 μM g-1 FW-1，比野生型5.4低约35%，CD含量增加1.1-1.3倍；过氧化物酶转录上调2.0-2.8倍，酶活性上调1.7-1.8倍；异戊二烯合成基因terpenoid synthase、HSD、HMGR转录分别上调1.3-3.5倍、2.4-11.4倍、4.6-6.5倍，HMGR酶活性上调1.3-1.5倍；微阵列分析显示192个注释基因上调≥1.5倍。
研究结论
组成性表达CaPLA1通过改变与细胞增殖、脂质代谢、膜过氧化状态和异戊二烯生物合成相关的基因活性，增强了转基因水稻的生长和籽粒产量。