Tissue-specific production of limonene in Camellia sativa with the Arabidopsis promoters of genes BANYULS and FRUITFULL
- 作者
- Monica Borghi, De-Yu Xie
- 单位
- Department of Plant and Microbial Biology, North Carolina State University, Raleigh, NC, USA; Laboratory of Plant Physiology, Wageningen University and Research Center, Droevendaalsesteeg 1, 6708 PB Wageningen, The Netherlands
- 杂志
- Planta（2015）
- DOI
- 10.1007/s00425-015-2425-y
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
在亚麻荠（Camelina sativa）中实现外源基因的组织特异性表达，以提高种子和果实中柠檬烯（一种生物燃料添加剂）的产量。
研究策略
利用拟南芥种子特异启动子AtBANpro和果实特异启动子AtFULpro，驱动柠檬烯合酶（LS）的胞质或质体靶向表达，并与组成型CaMV 35S启动子进行比较，通过农杆菌介导转化亚麻荠，分析转基因植株的组织特异性LS表达和柠檬烯积累水平。
核心内容
该研究利用拟南芥种子特异启动子AtBANpro和果实特异启动子AtFULpro，在亚麻荠中驱动柠檬烯合酶的胞质或质体靶向表达，并与组成型CaMV 35S启动子进行对比。通过农杆菌介导转化，研究者分析了不同启动子驱动的转基因株系中柠檬烯的组织特异性积累情况。结果显示，AtBANpro和AtFULpro在亚麻荠中保持了组织特异性转录活性，且其驱动的柠檬烯产量显著高于CaMV 35S启动子，其中AtFULpro:LS果荚中柠檬烯含量最高达38.6±0.3 ng/g鲜重，AtBANpro:LS种子中为20.3±0.3 ng/g鲜重，而CaMV 35S:LS种子中仅为7.1±0.2 ng/g鲜重，野生型种子和果荚中分别只有4.22±0.3和4.47±0.4 ng/g鲜重。此外，所有转基因株系均产生1,8-桉叶油素，且转基因株系叶片柠檬烯平均含量为17.2±7.4 ng/g鲜重，花序挥发性柠檬烯产量比野生型高3倍。转基因株系的叶绿素含量、种子大小和形态与野生型无显著差异。该研究证实，拟南芥组织特异启动子可在亚麻荠中有效驱动外源基因表达，并比组成型启动子更有利于在种子和果实中定向积累柠檬烯，为油料作物的代谢工程改良提供了可行策略。
创新点
验证了拟南芥BANYULS和FRUITFULL启动子在亚麻荠中具有组织特异性转录活性，并证实其比CaMV 35S启动子更能有效提高种子和果实中的柠檬烯产量。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 亚麻荠（Camelina sativa） | 柠檬烯生物合成（MVA途径） | LSct (Citrus limon limonene synthase, 胞质型) | 柠檬烯合酶（胞质型） | 催化 | 催化GPP生成柠檬烯，在胞质中表达；由CaMV 35S、AtBANpro或AtFULpro启动子驱动 |
| 亚麻荠（Camelina sativa） | 柠檬烯生物合成（MEP途径） | LScp (Citrus limon limonene synthase, 质体型) | 柠檬烯合酶（质体型，含质体转运肽） | 催化 | 催化GPP生成柠檬烯，在质体中表达；由CaMV 35S、AtBANpro或AtFULpro启动子驱动 |
| 亚麻荠（Camelina sativa） | 类黄酮生物合成 | AtBAN (At1g61720) | BANYULS（花青素还原酶） | 催化 | 使用其启动子AtBANpro（324 bp）驱动LS表达，该启动子在种子种皮中特异表达 |
| 亚麻荠（Camelina sativa） | 果实发育调控 | AtFUL (At5g60910) | FRUITFULL（MADS-box转录因子） | 调控 | 使用其启动子AtFULpro（682 bp，-2952至-2271）驱动LS表达，该启动子在果瓣中特异表达 |
| 亚麻荠（Camelina sativa） | 类黄酮生物合成调控 | CaTT2, CaTT8, CaTTG1 | Transparent testa 2 (MYB), Transparent testa 8 (bHLH), Transparent testa glabra 1 (WD-repeat) | 调控 | 在亚麻荠中保守表达，与AtBANpro结合并激活其转录，为AtBANpro在亚麻荠中的活性提供分子基础 |
关键发现
- AtBANpro和AtFULpro在亚麻荠中具有活性并保持组织特异性
- 由AtBANpro和AtFULpro驱动的LS表达使种子和果荚中柠檬烯含量显著高于CaMV 35S驱动，其中AtFULpro:LS果荚中柠檬烯含量最高达38.6 ±
- 3 ng/g FW，AtBANpro:LS种子中为20.3 ±
- 3 ng/g FW，而CaMV 35S:LS种子中仅为7.1 ±
- 2 ng/g FW
- 野生型种子和果荚中柠檬烯含量为4.22 ±
- 3 和4.47 ±
- 4 ng/g FW
- 转基因株系叶片中柠檬烯含量平均为17.2 ±
- 4 ng/g FW
- CaMV 35S:LScp株系叶片柠檬烯释放量更高，且转基因株系的花序挥发性柠檬烯产量比野生型高3倍
- 所有转基因株系均产生1,8-桉叶油素
- 转基因株系叶绿素含量、种子大小和形状与野生型无显著差异。
研究结论
研究结果表明，拟南芥的AtBANpro和AtFULpro启动子可在亚麻荠中有效驱动组织特异性基因表达，并比CaMV 35S启动子更有利于在种子和果实中积累柠檬烯，可用于亚麻荠的代谢工程改良。