Levels of Lycopene β-Cyclase 1 Modulate Carotenoid Gene Expression and Accumulation in Daucus carota
- 作者
- Juan Camilo Moreno, Lorena Pizarro, Paulina Fuentes, Michael Handford, Victor Cifuentes, Claudia Stange
- 单位
- Departamento de Biología, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile; Max Planck Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie; Departamento de Ecología, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile
- 杂志
- PLoS ONE（2013）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0058144
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
胡萝卜中番茄红素β-环化酶1（DcLcyb1）在类胡萝卜素合成中的功能及其对类胡萝卜素基因表达的调控作用
研究策略
通过异源大肠杆菌互补实验、GFP亚细胞定位、胡萝卜稳定过表达与转录后基因沉默，结合qRT-PCR和HPLC分析，系统研究DcLcyb1的功能与调控机制
核心内容
该研究以胡萝卜中的番茄红素β-环化酶1（DcLcyb1）为对象，系统探究了其在类胡萝卜素合成中的功能与调控机制。通过在大肠杆菌中进行异源互补实验、GFP亚细胞定位、胡萝卜稳定过表达和转录后基因沉默，结合qRT-PCR与HPLC分析，研究者证实DcLcyb1定位于质体且具有番茄红素β-环化酶活性，并首次证明该酶在胡萝卜叶和储藏根中均发挥功能，不具有器官特异性。过表达DcLcyb1使叶中总类胡萝卜素增加1.6至1.8倍、β-胡萝卜素增加2.6至2.8倍，根中分别增加1.1至1.8倍和1.2至2倍，同时诱导内源DcPsy1、DcPsy2和DcLcyb2基因表达。相反，沉默DcLcyb1导致叶中类胡萝卜素减少70％、β-胡萝卜素减少77％，根中分别减少55％和58％，并使根中DcPsy2和DcLcyb2表达分别降低最多98％和83％。这些结果表明，DcLcyb1不仅是胡萝卜类胡萝卜素积累的关键调控因子，其表达水平还能反馈调节其他类胡萝卜素基因的表达，这为通过调控单一基因来优化类胡萝卜素代谢网络提供了理论依据。
创新点
首次证明DcLcyb1在胡萝卜整个植株（叶和储藏根）中均发挥功能，不具有器官特异性；发现DcLcyb1表达水平能反馈调控内源类胡萝卜素基因（DcPsy1、DcPsy2、DcLcyb2）的表达
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli BL21 | 类胡萝卜素生物合成 | DcLcyb1 | LCYB1 | 催化 | 异源互补实验，将番茄红素环化为β-胡萝卜素 |
| Daucus carota (胡萝卜) | 类胡萝卜素生物合成 | DcLcyb1 | LCYB1 | 催化 | 过表达和RNAi沉默，影响类胡萝卜素积累 |
| Nicotiana tabacum (烟草) | 类胡萝卜素生物合成 | DcLcyb1 | LCYB1-GFP | 区室化 | GFP融合蛋白定位于叶绿体，确认亚细胞定位 |
| Daucus carota (胡萝卜) | 类胡萝卜素生物合成 | DcPsy1 | PSY1 | 催化 | 八氢番茄红素合成酶，表达受DcLcyb1水平正向调控 |
| Daucus carota (胡萝卜) | 类胡萝卜素生物合成 | DcPsy2 | PSY2 | 催化 | 八氢番茄红素合成酶，在储藏根中受DcLcyb1显著调控 |
| Daucus carota (胡萝卜) | 类胡萝卜素生物合成 | DcLcyb2 | LCYB2 | 催化 | 番茄红素β-环化酶2，其表达随DcLcyb1水平变化 |
关键发现
- DcLcyb1定位于质体，异源互补表明其具有番茄红素β-环化酶活性
- 过表达DcLcyb1使叶中总类胡萝卜素增加1.6-1.8倍、β-胡萝卜素增加2.6-2.8倍，根中总类胡萝卜素增加1.1-1.8倍、β-胡萝卜素增加1.2-2倍，同时诱导DcPsy1、DcPsy2和DcLcyb2表达
- 沉默DcLcyb1导致叶中类胡萝卜素减少70%、β-胡萝卜素减少77%，根中分别减少55%和58%，并使叶中叶绿素降低30%-40%，根中八氢番茄红素减少2-3倍
- 沉默后根中DcPsy2和DcLcyb2表达分别降低最多98%（48倍）和83%（6倍）
研究结论
DcLcyb1编码一个有功能的、定位于质体的番茄红素β-环化酶，是胡萝卜叶和储藏根中类胡萝卜素积累的关键调控因子，其表达水平不仅直接影响β-胡萝卜素含量，还调节内源类胡萝卜素基因的表达