Molecular Cloning and Characterization of Two Genes Encoding Dihydroflavonol-4-Reductase from Populus trichocarpa
- 作者
- Yan Huang, Jiqing Gou, Zhichun Jia, Li Yang, Yimin Sun, Xunyan Xiao, Feng Song, Keming Luo
- 单位
- Key Laboratory of Eco-Environments of Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, Institute of Resources Botany, School of Life Sciences, Southwest University, Chongqing, China; Chongqing Key Laboratory of Transgenic Plant and Safety Control, Southwest University, Chongqing, China; Forage Improvement Division, The Samuel Roberts Noble Foundation, Ardmore, Oklahoma, United States of America
- 杂志
- PLoS ONE（2012）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0030364
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明杨树中两个DFR同工酶基因(PrDFR1和PrDFR2)在类黄酮生物合成中特别是花青素和缩合单宁分支中的功能差异
研究策略
从毛果杨中克隆两个DFR全长cDNA，进行序列比对和表达谱分析；通过农杆菌介导分别在烟草和银白杨中异源过表达，检测花色变化及花青素和缩合单宁的含量
研究路线图
核心内容
该研究从毛果杨中克隆了两个编码二氢黄酮醇-4-还原酶（DFR）的基因PrDFR1和PrDFR2，并通过序列比对、表达分析和异源过表达实验揭示了二者在类黄酮代谢中的功能分化。序列分析显示PrDFR1与颤杨DFR的一致性高达96.3%，而PrDFR2为81.5%；PrDFR1与拟南芥、苜蓿和水稻DFR的一致性分别为71.4%、71.3%和62.0%。qRT-PCR表明PrDFR2转录本在幼叶柄中比PrDFR1高2倍以上，在老叶柄中高15倍，在根中约高3倍。在烟草中过表达35S:PrDFR1使花冠颜色明显加深，花青素含量显著高于野生型，而PrDFR2过表达无此效果。在银白杨中，PrDFR1过表达株系缩合单宁含量较野生型增加3倍，PrDFR2过表达株系则高2倍以上，且仅PrDFR1显著提高花青素积累。结果表明两个同工酶基因经基因重复后发生功能特化，分别主导花青素和缩合单宁分支合成，为杨树类黄酮代谢的定向工程改造提供了分子靶点。
创新点
首次证明杨树中两个DFR基因发生功能分化：PrDFR1主要参与花青素合成，PrDFR2主要参与缩合单宁合成，二者在不同组织中的表达差异及对产物积累的差异影响
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nicotiana tabacum cv Xanthi | flavonoid biosynthesis (anthocyanin branch) | PrDFR1 | Dihydroflavonol-4-reductase | 催化 | 35S:PrDFR1过表达导致转基因烟草花色加深、花青素积累显著增加 |
| Nicotiana tabacum cv Xanthi | flavonoid biosynthesis (anthocyanin branch) | PrDFR2 | Dihydroflavonol-4-reductase | 催化 | 35S:PrDFR2过表达未显著改变烟草花色和花青素含量 |
| Populus tomentosa Carr. | flavonoid biosynthesis (anthocyanin and condensed tannin branches) | PrDFR1 | Dihydroflavonol-4-reductase | 催化 | 35S:PrDFR1过表达使银白杨叶片中花青素和缩合单宁含量均显著增加 |
| Populus tomentosa Carr. | flavonoid biosynthesis (condensed tannin branch) | PrDFR2 | Dihydroflavonol-4-reductase | 催化 | 35S:PrDFR2过表达仅显著提高银白杨叶片中缩合单宁含量，花青素无显著变化 |
关键发现
- PrDFR1与颤杨PdFR氨基酸一致性为96.3%，PrDFR2为81.5%
- PrDFR1与AtDFR、MtDFR1、OsDFR一致性分别为71.4%、71.3%、62.0%。qRT-PCR显示PrDFR2转录本在幼叶柄中比PrDFR1高2倍以上，在老叶柄中高15倍，在根中约高3倍。烟草中过表达35S:PrDFR1使花冠颜色明显加深，花青素含量显著高于野生型(p≤0.05)，而35S:PrDFR2无显著变化。在银白杨中，35S:PrDFR1系4和12的缩合单宁含量较野生型增加3倍，35S:PrDFR2系5和9的缩合单宁较野生型高2倍以上
- PrDFR1过表达株系花青素显著增加，PrDFR2过表达株系花青素无显著增加。
研究结论
杨树中两个DFR基因因基因重复和功能分化，分别特化于花青素合成(PrDFR1)和缩合单宁合成(PrDFR2)途径，为植物类黄酮代谢工程的靶向改造提供了依据