Functional analysis of multiple carotenogenic genes from Lycium barbarum and Gentiana lutea L. for their effects on \(\beta\) -carotene production in transgenic tobacco
- 作者
- Jing Ji, Gang Wang, Jiehua Wang, Ping Wang
- 杂志
- Biotechnology Letters（2008）
- DOI
- 10.1007/s10529-008-9861-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究枸杞和龙胆中多个类胡萝卜素合成基因在烟草中的功能，评估其对β-胡萝卜素产量的影响，为通过基因工程提高β-胡萝卜素含量提供靶点。
研究策略
从枸杞和龙胆中克隆Ggps、Psy、Zds、Lcy-b、Lcy-e五个类胡萝卜素合成基因，构建CaMV35S启动子驱动的植物表达载体，通过农杆菌介导转化烟草，获得过表达转基因植株，测定叶片和花中β-胡萝卜素含量，并通过杂交获得双基因组合植株分析叠加效应。
核心内容
本研究从枸杞和龙胆中克隆了五个类胡萝卜素合成关键基因（Ggps、Psy、Zds、Lcy-b、Lcy-e），构建由CaMV35S启动子驱动的植物表达载体，经农杆菌介导转化烟草，获得各基因过表达转基因植株，并测定叶片和花中β-胡萝卜素含量，同时通过杂交构建双基因组合植株评估叠加效应。结果显示，对照烟草叶片β-胡萝卜素含量为2.2 mg gDW⁻¹，五个基因过表达后分别增至2.6（118%）、4.6（209%）、4.2（191%）、3.3（150%）和3.2（145%）mg gDW⁻¹，其中Psy和Zds效果最为显著，分别使叶片含量提升约109%和91%，花中含量提升约50%和49%。双基因共表达进一步增加β-胡萝卜素含量，例如lbPsy×glZds组合提升62%。该研究系统比较了多个异源类胡萝卜素合成基因在烟草中的功能，证明Psy和Zds是提高β-胡萝卜素含量的高效靶点，双基因叠加策略可行，为其他植物的类胡萝卜素代谢工程改良提供了理论依据和基因资源。
创新点
首次在烟草中系统比较了来自两种经济植物的五个类胡萝卜素合成基因的功能；发现Psy和Zds过表达显著提高β-胡萝卜素含量并改变花色；证明双基因共表达具有叠加效应。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 类胡萝卜素生物合成 | Ggps | geranylgeranyl diphosphate synthase (GGPS) | 催化 | 来自龙胆（Gentiana lutea），催化IPP和DMAPP生成GGPP，为类胡萝卜素合成提供前体。 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 类胡萝卜素生物合成 | Psy | phytoene synthase (PSY) | 催化 | 来自枸杞（Lycium barbarum），催化两分子GGPP缩合生成八氢番茄红素，是类胡萝卜素合成的关键限速酶。 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 类胡萝卜素生物合成 | Zds | δ-carotene desaturase (ZDS) | 催化 | 来自龙胆（Gentiana lutea），催化八氢番茄红素脱氢形成番茄红素。 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 类胡萝卜素生物合成 | Lcy-b | lycopene β-cyclase (LCY-B) | 催化 | 来自枸杞（Lycium barbarum），催化番茄红素两端环化生成β-胡萝卜素。 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 类胡萝卜素生物合成 | Lcy-e | lycopene ε-cyclase (LCY-E) | 催化 | 来自龙胆（Gentiana lutea），催化番茄红素一端环化生成δ-胡萝卜素。 |
关键发现
- 对照烟草叶片β-胡萝卜素含量为2.2 mg gDW-1
- 过表达Ggps、Psy、Zds、Lcy-b、Lcy-e的叶片β-胡萝卜素含量分别为2.6（118%）、4.6（209%）、4.2（191%）、3.3（150%）、3.2（145%）mg gDW-1
- 花中β-胡萝卜素含量相对于野生型分别为151%、149%、142%、116%。Psy过表达使叶片β-胡萝卜素增加约100%、花增加约50%
- Zds过表达使叶片增加91%、花增加49%。双基因组合使叶片β-胡萝卜素含量进一步增加：lbPsy×glZds增加62%，lbPsy×glLcy-b增加40%，lbPsy×lbLcy-e增加19%，glZds×glLcy-b增加47%，glZds×lbLcy-e增加33%，glLcy-b×lbLcy-e增加36%。
研究结论
五个类胡萝卜素合成基因在烟草中异源过表达均能不同程度提高β-胡萝卜素含量，其中Psy和Zds效果最显著；双基因组合具有叠加效应；这些基因可用于其他植物β-胡萝卜素含量改良和花色修饰。