Flavodoxin displays dose-dependent effects on photosynthesis and stress tolerance when expressed in transgenic tobacco plants
- 作者
- Romina D. Ceccoli, Nicolás E. Blanco, María E. Segretin, Michael Melzer, Guy T. Hanke, Renate Scheibe, Mohammad-Reza Hajirezaei, Fernando F. Bravo-Almonacid, Néstor Carrillo
- 单位
- Division Biologia Molecular, Facultad de Ciencias Bioquimicas y Farmacéuticas, Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR, CONICET), Universidad Nacional de Rosario, Suipacha 531, S2002LRK Rosario, Argentina; Department of Plant Physiology, Umea Plant Science Centre, Umea University, 901 87 Umea, Sweden; Laboratorio de Virologia y Biotecnologia Vegetal, Instituto de Investigaciones en Ingenieria Genetica y Biologia Molecular (INGEBI, CONICET), C1428ADN Ciudad Autonoma de Buenos Aires, Argentina; Leibniz-Institut fur Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung, Corrensstrasse 3, 06466 Gatersleben, Germany; Pflanzenphysiologie, FB Biologie/Chemie, Universitat Osnabruck, 49069 Osnabruck, Germany; Departamento de Ciencia y Tecnologia, Universidad Nacional de Quilmes, Bernal, Buenos Aires, Argentina
- 杂志
- Planta（2012）
- DOI
- 10.1007/s00425-012-1695-x
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
确定提高叶绿体中异源黄素氧还蛋白（Fld）表达量是否能够进一步增强转基因烟草的光合性能和胁迫耐受性，以及过高表达是否会产生不利影响。
研究策略
利用核基因组转化和叶绿体（质体）转化分别获得不同Fld表达水平的转基因烟草株系（Fld含量从0.3到10.8 μmol m^-2），系统比较各株系的光合参数、叶绿体超微结构、抗氧化代谢物水平及甲基紫精（MV）胁迫下的耐受性，从而解析Fld剂量的效应。
核心内容
研究人员通过核基因组转化和叶绿体转化两种策略，在烟草中表达了来自鱼腥藻的黄素氧还蛋白Fld，获得Fld含量从0.3到10.8 μmol m⁻²的一系列株系，以系统考察表达剂量对光合性能与胁迫耐受性的影响。与内源铁氧还蛋白约3 μmol m⁻²的水平相比，当Fld处于1.3–2.6 μmol m⁻²时，叶绿素a含量较野生型增加9%–19%，饱和光下CO₂同化率提高约22%，光系统I的最大氧化态ΔP700max增加约59%，荧光参数也显著改善；在甲基紫精胁迫下，两个中等表达株系的α-生育酚含量分别提高71%和97%，谷胱甘肽还原比例达到70%–71%。然而，当Fld高达10.8 μmol m⁻²时，上述光合指标回落至接近甚至低于野生型水平，胁迫耐受性也显著下降。这些结果揭示了Fld对光合效率和逆境响应的剂量效应呈钟形曲线：表达量适中即与内源Fd相当为最佳，进一步超量表达反而有害，表明核转化获得的表达水平已接近最优，盲目的更高表达并无增益。
创新点
首次通过质体转化获得Fld高表达（约4倍于内源Fd）的烟草株系，揭示了Fld对光合作用和胁迫耐受性的剂量依赖效应呈钟形曲线，即适量表达有益、过量反而有害。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草（Nicotiana tabacum cv. Petit Havana） | 光合电子传递链 | fld（Anabaena sp. PCC7119） | 黄素氧还蛋白（Flavodoxin, Fld） | 转运 | 核转化株系（pFld）中叶绿体靶向表达，含量为0.3-2.6 μmol m^-2，作为电子载体替代部分Fd功能 |
| 烟草（Nicotiana tabacum cv. Petit Havana） | 光合电子传递链 | fld（Anabaena sp. PCC7119） | 黄素氧还蛋白（Flavodoxin, Fld） | 转运 | 质体转化株系（tFld）中由叶绿体基因组表达，含量约10.8 μmol m^-2，约为内源Fd的3.5倍 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 光合电子传递 | — | 铁氧还蛋白（Ferredoxin, Fd） | 转运 | 各株系内源Fd水平约3 μmol m^-2，不受外源Fld影响 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 光合电子传递 | — | 铁氧还蛋白-NADP+还原酶（FNR） | 催化 | 与Fld发生电子传递，催化NADPH生成；体外细胞色素c还原酶活性证实Fld为功能性黄素蛋白 |
关键发现
- 获得的烟草株系Fld水平为0.3、1.3、2.6和10.8 μmol m^-2，内源Fd约3 μmol m^-2。当Fld为1.3-2.6 μmol m^-2时，叶绿素a含量较野生型增加9-19%，类胡萝卜素增加
- 饱和光（1500 μmol m^-2 s^-1）下CO2同化率提高约22%
- ΔP700max最大增加约59%
- Fv/Fm、ΦPSII、ETR等参数显著改善
- MV处理后α-生育酚含量在pfld5-4和pfld5-8中分别增加71%和97%，GSH比例达70-71%。但当Fld达10.8 μmol m^-2时，这些指标回落至接近野生型甚至更低，且MV耐受性显著低于中间表达株系，表明存在钟形剂量-响应关系。
研究结论
黄素氧还蛋白的适度表达（与内源铁氧还蛋白水平相当）可最佳提升光合效率和胁迫耐受性；进一步超量表达反而导致光合性能下降和胁迫耐受性回落，因此通过核转化获得的表达水平已接近最优，更高表达并无额外益处。