Overexpression of the rice carotenoid cleavage dioxygenase 1 gene in Golden Rice endosperm suggests apocarotenoids as substrates in planta
- 作者
- Andrea Ilg, Qiuju Yu, Patrick Schaub, Peter Beyer, Salim Al-Babili
- 杂志
- Planta（2010）
- DOI
- 10.1007/s00425-010-1205-y
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物体内CCD1酶的天然底物究竟是类胡萝卜素还是脱辅基类胡萝卜素，通过水稻胚乳中过表达OsCCD1加以验证，并评估其对Golden Rice 2类胡萝卜素积累的影响
研究策略
将OsCCD1 cDNA置于胚乳特异性Gt1启动子下，分别以正义和反义方向转化Golden Rice 2水稻，比较转基因胚乳的类胡萝卜素含量与组成，并通过体外酶活实验检测过表达OsCCD1对脱辅基类胡萝卜素底物的裂解活性
核心内容
该研究通过在水稻胚乳中特异性过表达类胡萝卜素裂解双加氧酶基因OsCCD1，检验了该酶在植物体内的真实底物。研究者将OsCCD1 cDNA置于胚乳特异性Gt1启动子下，以正义和反义两种方向转化Golden Rice 2（GR2），并分析了转基因胚乳中类胡萝卜素的含量与组成变化。结果显示，GR2胚乳中类胡萝卜素含量高达37 μg/g，β-胡萝卜素约占84%；正义转化株中OsCCD1转录水平较GR2升高50至240倍，但各株系T2种子中类胡萝卜素含量为11至27 μg/g，多数在15至21 μg/g之间，与GR2无明显差异，反义抑制也未导致类胡萝卜素积累增加。体外酶活实验进一步表明，过表达OsCCD1的胚乳可高效裂解β-apo-10'-carotenal和apo-10'-lycopenal等脱辅基类胡萝卜素底物，而对β-胡萝卜素和玉米黄质几乎无活性。这一结果证明，OsCCD1在植物体内的天然底物是脱辅基类胡萝卜素而非完整的类胡萝卜素，与其缺乏质体转运肽、定位于胞质的特征相符，提示该酶可能参与清除从质体释放的脱辅基类胡萝卜素。
创新点
首次在植物体内（水稻胚乳）直接测试CCD1过表达对类胡萝卜素含量的影响，结合体外活性证据提出OsCCD1的体内底物是脱辅基类胡萝卜素而非完整的类胡萝卜素，与CCD1的胞质定位相符
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻（Oryza sativa var. japonica cv. Kaybonnet）Golden Rice 2胚乳 | 类胡萝卜素裂解/脱辅基类胡萝卜素代谢 | OsCCD1 | OsCCD1（水稻类胡萝卜素裂解双加氧酶1） | 催化 | 在胚乳特异性Gt1启动子控制下正义/反义表达；体内底物为脱辅基类胡萝卜素，体外可裂解β-apo-10'-carotenal和apo-10'-lycopenal |
| 水稻（Oryza sativa var. japonica cv. Kaybonnet）Golden Rice 2胚乳 | 类胡萝卜素生物合成 | Psy、CrtI等（GR2中导入的类胡萝卜素合成基因，文中未详细列出） | — | 催化 | GR2胚乳中积累类胡萝卜素，作为OsCCD1过表达的研究背景 |
关键发现
- Golden Rice 2（GR2）胚乳中类胡萝卜素含量高达37 μg/g，β-胡萝卜素约占84%。正义转化株中OsCCD1转录水平较GR2升高50~240倍（line 2约50倍，line 14约240倍），但T2种子类胡萝卜素含量为11~27 μg/g，多数为15~21 μg/g，与GR2相近
- 反义株也未出现类胡萝卜素积累增加。体外实验表明，过表达OsCCD1的胚乳可裂解β-apo-10'-carotenal（生成β-紫罗酮和C14二醛）及apo-10'-lycopenal（生成C14二醛、假紫罗酮、C17和C19产物），而对β-胡萝卜素和玉米黄质活性极弱。表明OsCCD1在体内以脱辅基类胡萝卜素为底物。
研究结论
水稻胚乳中过表达OsCCD1不会导致类胡萝卜素降解，反义抑制也不增加类胡萝卜素含量，证明OsCCD1在植物体内的底物是脱辅基类胡萝卜素而非类胡萝卜素；该结果与CCD1缺乏质体转运肽、定位于胞质一致，其功能可能是清除从质体释放的脱辅基类胡萝卜素。