Effect of the Citrus Lycopene β-Cyclase Transgene on Carotenoid Metabolism in Transgenic Tomato Fruits
- 作者
- Fei Guo, Wenjing Zhou, Jiancheng Zhang, Qiang Xu, Xiuxin Deng
- 单位
- Key Laboratory of Horticultural Plant Biology of Ministry of Education, Huazhong Agricultural University; National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement, Huazhong Agricultural University
- 杂志
- PLoS ONE（2012）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0032221
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析柑橘番茄红素β-环化酶（Lycb-1）在番茄果实中组成型表达对类胡萝卜素代谢途径的调控效应及其对果实转录组的全局影响。
研究策略
通过农杆菌介导转化获得组成型表达 citrus Lycb-1 的转基因番茄，利用HPLC分析不同发育阶段果实类胡萝卜素、ABA和糖含量，采用qRT-PCR分析类胡萝卜素合成基因表达，并利用TOM2微阵列分析成熟期果实转录组变化。
研究路线图
核心内容
该研究通过农杆菌介导转化，在番茄果实中组成型表达柑橘番茄红素β-环化酶基因Lycb-1，系统解析了其对类胡萝卜素代谢途径的调控效应。HPLC分析表明，转基因果实成熟期β-胡萝卜素含量提高4.1倍，达1105.17 μg/g DW，总类胡萝卜素增加30%，α-胡萝卜素提高3.4倍，但番茄红素在破色期几乎检测不到，叶黄素和ABA含量在三个发育阶段均显著降低，并出现紫黄质累积。qRT-PCR显示上游合成基因PSY-1、DXS等表达上调，下游降解基因ZEP等下调。TOM2微阵列分析发现5729个基因差异表达，涉及脂肪酸、黄酮、苯丙烷及淀粉蔗糖代谢等17条通路改变。结果表明，Lycb-1过表达不仅通过增强β-分支通量重塑类胡萝卜素组成，还引发果实广泛的转录组重编程和代谢网络调整，为理解类胡萝卜素代谢工程的多效性提供了全局视角。
创新点
首次系统评估柑橘Lycb-1在番茄果实中组成型过表达对类胡萝卜素合成及α/β分支通量分配的影响，并揭示其对全基因组转录组和多种代谢通路（脂肪酸、黄酮、苯丙烷、萜烯降解、淀粉蔗糖代谢等）的远程调控效应。
研究对象（18）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄（Solanum lycopersicum cv. Zhongshu No. 5） | 类胡萝卜素生物合成途径 | Lycb-1（柑橘） | 番茄红素β-环化酶（LYCB） | 催化 | 组成型表达，由CaMV 35S启动子驱动，导致β-胡萝卜素合成增加 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成途径 | Dxs | 脱氧木酮糖-5-磷酸合酶（DXS） | 催化 | MEP途径上游基因，成熟期表达上调 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成途径 | Ggps-1, Ggps-2 | 牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶（GGPS） | 催化 | 上游基因，破色期和成熟期表达受调控 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成途径 | Psp-1, Psp-2 (PSY-1, PSY-2) | 八氢番茄红素合酶（PSY） | 催化 | 限速酶，成熟期表达上调 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成途径 | Pds | 八氢番茄红素脱饱和酶（PDS） | 催化 | 上游基因，各时期表达变化不同 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成途径 | Zds | ζ-胡萝卜素脱饱和酶（ZDS） | 催化 | 上游基因，破色期上调 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成途径 | Crtiso | 类胡萝卜素异构酶（CRTISO） | 催化 | 上游基因，成熟期上调 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成途径（β分支） | CycB | 有色体特异性番茄红素β-环化酶（CYCB） | 催化 | 成熟期上调 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成途径（α分支） | LycE | 番茄红素ε-环化酶（LYCE） | 催化 | 破色期下调，成熟期上调 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成途径（β分支下游） | Bch | β-胡萝卜素羟化酶（BCH） | 催化 | 破色期下调，成熟期上调 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成途径（ABA合成） | Zep | 玉米黄质环氧酶（ZEP） | 催化 | 所有发育阶段均下调，与ABA含量降低一致 |
| 番茄 | 苯丙烷生物合成 | 多个P450基因及过氧化物酶基因 | 细胞色素P450、过氧化物酶 | 催化 | 8个基因表达显著改变，参与苯丙烷代谢 |
| 番茄 | 黄酮和黄酮醇生物合成 | CYP81B2v2, CYP92B2v1, 四羟查尔酮2'-葡萄糖基转移酶 | 细胞色素P450、四羟查尔酮2'-葡萄糖基转移酶 | 催化 | 3个基因下调至少2倍 |
| 番茄 | 脂肪酸生物合成 | SGN-U213509, SGN-U215683, SGN-U217263 | 短链醇脱氢酶、托品酮还原酶 | 催化 | 表达显著改变，与ABA生物合成相关 |
| 番茄 | 光合作用-天线蛋白 | M14444, SGN-U218911等6个基因 | 叶绿素a/b结合蛋白 | 调控 | 所有基因下调至少2倍 |
| 番茄 | 淀粉和蔗糖代谢 | SGN-U212827, SGN-U213818, SGN-U215015 | 葡聚糖内切-1,3-β-葡萄糖苷酶、糖苷水解酶家族28蛋白、甘露聚糖合酶 | 催化 | 3个基因下调 |
| 番茄 | 萜类骨架合成（MEP途径） | Lycb-1 | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 来自柑橘的转基因，异源表达 |
| 番茄 | ABA生物合成 | Zep | 玉米黄质环氧酶 | 催化 | ZEP下调导致ABA含量降低 |
关键发现
- 转基因番茄果实β-胡萝卜素含量提高4.1倍（成熟期达1105.17±24.80 μg/g DW），总类胡萝卜素含量增加30%
- 成熟期α-胡萝卜素含量提高3.4倍（16.09±0.54 μg/g DW），而番茄红素含量在破色期几乎检测不到
- 叶黄素含量在三个发育阶段均显著降低（成熟绿期降低约53%，破色期降低约50%，红熟期降低约44%）
- ABA含量在三个发育阶段均显著降低（成熟绿期降低约21%，破色期降低约27%，红熟期降低约19%）
- 检测到紫黄质累积（7.68±2.64 μg/g DW）
- 果实中葡萄糖和果糖含量降低，蔗糖含量无显著变化
- 叶片类胡萝卜素含量无明显变化。转基因系中有5729个基因差异表达（上调2797个，下调2932个），93个unigenes差异倍数≥2（上调30个，下调63个）
- 涉及17条代谢通路改变。
研究结论
柑橘Lycb-1在番茄果实中的组成型表达通过增强β-分支通量、上调上游类胡萝卜素合成基因（如PSY-1、DXS）并下调下游ZEP等降解基因，导致β-胡萝卜素大量积累和总类胡萝卜素含量增加；同时影响果实转录组，涉及脂肪酸、黄酮、苯丙烷、萜烯降解及淀粉蔗糖代谢等通路，表明Lycb-1过表达不仅改变类胡萝卜素组成，还引发广泛的代谢重编程。