Transgenic potato overproducing L-ascorbic acid resisted an increase in methylglyoxal under salinity stress via maintaining higher reduced glutathione level and glyoxalase enzyme activity
- 作者
- Chandrama Prakash Upadhyaya, Jelli Venkatesh, Mayank Anand Gururani, Leonid Asnin, Kavita Sharma, Hemavathi Ajappala, Se Won Park
- 单位
- Department of Molecular Biotechnology, Konkuk University, Seoul, Republic of Korea; Department of Botany, Guru Ghasidas Central University, Bilaspur, India
- 杂志
- Biotechnology Letters（2011）
- DOI
- 10.1007/s10529-011-0684-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
盐胁迫导致马铃薯中甲基乙二醛（MG）积累和氧化损伤，需通过代谢工程提高作物耐盐性。
研究策略
在马铃薯中过表达草莓来源的 D-半乳糖醛酸还原酶（GalUR）基因，提高 L-抗坏血酸（AsA）含量，并系统分析盐胁迫下谷胱甘肽（GSH）稳态、乙二醛酶活性及甲基乙二醛水平的变化。
核心内容
研究者通过农杆菌介导的转化，在马铃薯中过表达了草莓来源的D-半乳糖醛酸还原酶基因，以提升体内L-抗坏血酸含量，并系统评估了200 mM NaCl盐胁迫下转基因植株的抗氧化与解毒能力。结果显示，转基因马铃薯在盐胁迫下仍能正常生长和结薯，而野生型明显受抑。机制层面，盐胁迫下转基因株系中谷胱甘肽还原酶活性增加150-170%（野生型仅80%），脱氢抗坏血酸还原酶增加170-190%（野生型60%），抗坏血酸过氧化物酶和谷胱甘肽过氧化物酶/转移酶活性也显著高于对照；与此同时，GSH:GSSG比值仅下降15%，而野生型下降40%，GSH含量净增35%。更关键的是，乙二醛酶I和II活性分别提高170-190%和160-175%（野生型均约55%），使得盐胁迫下转基因株系甲基乙二醛积累量仅为野生型的约一半。该工作首次证明通过抗坏血酸途径工程可以协同维持谷胱甘肽稳态并增强乙二醛酶系统活性，从而有效清除有毒代谢物甲基乙二醛，为利用代谢工程提升作物耐盐性提供了新策略。
创新点
首次报道通过抗坏血酸途径基因工程维持 GSH 稳态并增强乙二醛酶活性，从而抑制盐胁迫下甲基乙二醛的积累，赋予马铃薯耐盐性。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Solanum tuberosum L. cv. Taedong Valley | 抗坏血酸生物合成途径（D-半乳糖醛酸途径） | GalUR | D-半乳糖醛酸还原酶 | 催化 | 来源于草莓，过表达提高 L-抗坏血酸含量 |
| Solanum tuberosum L. cv. Taedong Valley | 抗坏血酸-谷胱甘肽循环 | — | 抗坏血酸过氧化物酶（APx） | 催化 | 清除 H2O2，盐胁迫下转基因活性增加 120-150% |
| Solanum tuberosum L. cv. Taedong Valley | 抗坏血酸-谷胱甘肽循环 | — | 脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR） | 催化 | 再生抗坏血酸，盐胁迫下活性增加 170-190% |
| Solanum tuberosum L. cv. Taedong Valley | 抗坏血酸-谷胱甘肽循环 | — | 谷胱甘肽还原酶（GR） | 催化 | NADPH 依赖还原 GSSG 为 GSH，盐胁迫下活性增加 150-170% |
| Solanum tuberosum L. cv. Taedong Valley | 谷胱甘肽抗氧化途径 | — | 谷胱甘肽过氧化物酶（GPx） | 催化 | 降解脂质过氧化物，盐胁迫下活性增加约 110-115% |
| Solanum tuberosum L. cv. Taedong Valley | 谷胱甘肽抗氧化途径 | — | 谷胱甘肽 S-转移酶（GST） | 催化 | 解毒和抗氧化，盐胁迫下活性增加约 110-115% |
| Solanum tuberosum L. cv. Taedong Valley | 乙二醛酶途径 | — | 乙二醛酶 I（Gly I） | 催化 | 利用 GSH 将甲基乙二醛转化为硫酯，盐胁迫下活性增加 170-190% |
| Solanum tuberosum L. cv. Taedong Valley | 乙二醛酶途径 | — | 乙二醛酶 II（Gly II） | 催化 | 水解硫酯再生 GSH，盐胁迫下活性增加 160-175% |
| Solanum tuberosum L. cv. Taedong Valley | 谷胱甘肽生物合成途径 | — | γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶 | 催化 | GSH 合成的限速酶，BSO 抑制其活性后野生型生长受抑而转基因仍正常 |
关键发现
- 转基因马铃薯在 200 mM NaCl 下仍能正常生长和结薯
- 盐胁迫下转基因植株 GR 活性增加 150-170%（野生型仅 80%），DHAR 增加 170-190%（野生型 60%），GPx/GST 增加 110-115%（野生型 45%），APx 增加 120-150%（野生型 45%）
- GSH:GSSG 比值仅下降 15%（野生型下降 40%），GSH 含量增加 35%
- 乙二醛酶 I（Gly I）活性增加 170-190%、乙二醛酶 II（Gly II）增加 160-175%（野生型约 55%）
- 盐胁迫下转基因植株甲基乙二醛水平仅为未转化对照的约一半。
研究结论
过表达 GalUR 通过维持更高的 GSH:GSSG 比值和更高的乙二醛酶活性，有效抑制盐胁迫下甲基乙二醛的积累，从而增强转基因马铃薯的耐盐性。