Down-regulation of lipoxygenase gene reduces degradation of carotenoids of golden rice during storage
- 作者
- Dipak Gayen, Nusrat Ali, Sailendra Nath Sarkar, Swapan K. Datta, Karabi Datta
- 杂志
- Planta（2015）
- DOI
- 10.1007/s00425-015-2314-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
金色大米（β-胡萝卜素强化水稻）种子在储存期间类胡萝卜素（尤其是β-胡萝卜素）易降解，导致营养品质下降和采后经济损失，而负责该降解过程的基因尚未充分研究。
研究策略
利用种子糊粉层和胚特异性Oleosin-18启动子驱动的RNAi技术，沉默水稻内源r9-LOX1基因，降低脂氧合酶（LOX）活性，并通过人工老化处理验证类胡萝卜素储存稳定性。
核心内容
金色大米因其胚乳中富含β-胡萝卜素而成为重要的生物强化水稻，但其种子在储存期间类胡萝卜素易发生降解，导致营养品质下降。该研究针对水稻内源r9-LOX1基因，利用种子糊粉层和胚特异性Oleosin-18启动子驱动RNAi，实现脂氧合酶（LOX）在种子中的定向沉默，并通过人工老化处理（45℃、85%相对湿度、14天）验证储存稳定性。结果显示，三个转基因T3株系的LOX酶活性较对照降低64.0%至69.0%，r9-LOX1转录水平降低62.0%至68.0%；人工老化后，对照SKBR-244的β-胡萝卜素损失达56.0%，而转基因株系仅损失9.6%至24.7%。同时，转基因种子中丙二醛和活性氧含量的上升幅度也显著低于对照，表明脂质过氧化和氧化损伤被有效抑制。该研究首次证实r9-LOX1是金色大米储存期间类胡萝卜素降解的关键因素，通过组织特异性RNAi下调其活性可显著提高种子储存稳定性，为减少生物强化水稻采后营养损失提供了可行策略。
创新点
首次证实r9-LOX1基因在金色大米储存期间类胡萝卜素降解中的直接作用；采用组织特异性启动子实现种子中LOX的定向沉默，不影响植株表型和农艺性状。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻（Oryza sativa L. ssp. indica cv. BR29，金色大米SKBR-244） | 类胡萝卜素生物合成通路 | psy | PSY (Phytoene synthase) | 催化 | 金色大米中整合的类胡萝卜素合成基因，催化八氢番茄红素合成 |
| 水稻（Oryza sativa L. ssp. indica cv. BR29，金色大米SKBR-244） | 类胡萝卜素生物合成通路 | crtI | CRTI (Phytoene desaturase) | 催化 | 金色大米中整合的类胡萝卜素合成基因，催化八氢番茄红素脱氢 |
| 水稻（Oryza sativa L. ssp. indica cv. BR29，金色大米SKBR-244） | 脂氧合酶介导的脂肪酸氧化/类胡萝卜素共氧化 | r9-LOX1 | 脂氧合酶 (LOX, EC 1.13.11.12) | 催化 | 沉默靶基因，其催化的脂肪酸氧化产物导致β-胡萝卜素共氧化降解 |
| 水稻（Oryza sativa L. ssp. indica cv. BR29，金色大米SKBR-244） | 脂氧合酶介导的脂肪酸氧化 | Os03g0700400 | 推测的脂氧合酶 | 催化 | 与r9-LOX1序列相似，表达水平随RNAi显著下降 |
| 水稻（Oryza sativa L. ssp. indica cv. BR29，金色大米SKBR-244） | 脂氧合酶介导的脂肪酸氧化 | LOX-L2 | 脂氧合酶L2 | 催化 | 对照检测基因，表达未受沉默影响 |
| 水稻（Oryza sativa L. ssp. indica cv. BR29，金色大米SKBR-244） | 脂氧合酶介导的脂肪酸氧化 | RLL | 水稻脂氧合酶同源蛋白 | 催化 | 对照检测基因，表达未受沉默影响 |
| 水稻（Oryza sativa L. ssp. indica cv. BR29，金色大米SKBR-244） | RNAi调控通路 | Oleosin-18启动子 | — | 调控 | 种子糊粉层和胚特异性启动子，驱动r9-LOX1 RNAi发夹结构表达 |
关键发现
- 三个T3转基因系#10-4-2、#14-10-4、#15-5-7的LOX酶活性分别降低69.0%、67.0%、64.0%，r9-LOX1转录水平分别降低68.0%、67.0%、62.0%
- 人工老化（45℃、85% RH、14天）后，SKBR-244对照β-胡萝卜素损失56.0%，而三个LOX-RNAi系仅损失9.6%、11.3%、24.7%
- 老化后SKBR-244的LOX活性从1.56升至2.40 Δ234/min/mg蛋白，而转基因系保持0.64-0.69
- MDA含量SKBR-244从5.2升至6.56 nmol/g，转基因系仅从3.7-3.9升至4.3-4.8 nmol/g
- ROS含量SKBR-244从8.19升至12.66 RFU/μg蛋白，转基因系仅微升至8.2-8.8 RFU/μg蛋白。
研究结论
r9-LOX1基因是金色大米储存期间类胡萝卜素降解的关键因素，通过RNAi下调LOX活性可显著减少β-胡萝卜素的共氧化损失，提高种子储存稳定性，是减少生物强化水稻采后损失的有效策略。