Carotenoid Crystal Formation in Arabidopsis and Carrot Roots Caused by Increased Phytoene Synthase Protein Levels
- 作者
- Dirk Maass, Jacobo Arango, Florian Wüst, Peter Beyer, Ralf Welsch
- 单位
- Faculty of Biology, Cell Biology, University of Freiburg, Freiburg, Germany
- 杂志
- PLoS ONE（2009）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0006373
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
八氢番茄红素合成酶（PSY）在绿色和非绿色组织中对类胡萝卜素积累的差异调控作用，以及类胡萝卜素晶体形成的分子机制和胡萝卜橙色根形成的限速步骤。
研究策略
通过组成型CaMV35S启动子在拟南芥中过表达AtPSY，比较幼苗、愈伤组织和根中的类胡萝卜素积累；同时在白色胡萝卜中利用根特异启动子表达细菌PSY基因crtB，验证PSY过表达对类胡萝卜素积累和晶体形成的驱动作用。
核心内容
该研究通过组成型CaMV35S启动子在拟南芥中过表达八氢番茄红素合成酶（PSY），系统比较了幼苗、愈伤组织和根等不同组织中的类胡萝卜素积累差异。结果显示，在幼苗中PSY转录水平虽增加14至17倍，但类胡萝卜素含量和组成未发生改变；而在非绿色愈伤组织中类胡萝卜素含量比野生型高约10倍，达到1800微克每克干重，根中高约100倍，达到500微克每克干重。过表达PSY的愈伤组织和根中形成了类胡萝卜素晶体，偏振光显微镜证实了这一现象。此外，在白色胡萝卜中利用根特异启动子表达细菌PSY基因crtB后，根呈现黄色，类胡萝卜素含量从8周时的约180微克每克干重增至16周时的约400微克每克干重，同样形成晶体。研究还发现橙色胡萝卜根中PSY蛋白高水平表达，含量约800微克每克干重，而白色胡萝卜中检测不到PSY蛋白。这些结果表明，单一PSY酶在非绿色质体中的功能过表达即可驱动类胡萝卜素晶体形成，无需叶绿体发育程序，PSY表达水平是白根向橙根转变的关键限速因素。
创新点
首次证明在非绿色质体中单独过表达PSY即可驱动类胡萝卜素晶体形成，无需叶绿体发育程序；揭示胡萝卜橙色根中PSY蛋白高水平表达是白根向橙根转变的关键限速因素。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Arabidopsis thaliana | 类胡萝卜素生物合成 | AtPSY | 八氢番茄红素合成酶（PSY） | 催化 | 催化GGPP缩合生成八氢番茄红素，在非绿色组织中过表达导致类胡萝卜素晶体形成 |
| Arabidopsis thaliana | 类胡萝卜素生物合成 | AtPDS；AtZDS；AteLCY；AtbLCY；AtbHYD1；AtbHYD2 | 八氢番茄红素脱饱和酶、ζ-胡萝卜素脱饱和酶、番茄红素ε-环化酶、番茄红素β-环化酶、β-胡萝卜素羟化酶1/2 | 催化 | 在PSY过表达植株中转录水平未显著变化，表明PSY是主要限速步骤 |
| Daucus carota | 类胡萝卜素生物合成 | DcPSY1；DcPSY2 | 八氢番茄红素合成酶（PSY1和PSY2） | 催化 | 橙色胡萝卜品种中DcPSY1转录水平比白根品种高14-17倍，DcPSY2高5-8倍；蛋白水平与类胡萝卜素积累相关 |
| Daucus carota | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | 细菌八氢番茄红素合成酶（CrtB） | 催化 | 在白色胡萝卜中根特异表达，使类胡萝卜素含量升高并形成晶体，但中间产物比例较高 |
关键发现
- 在拟南芥幼苗中，AtPSY转录水平增加14-17倍，但类胡萝卜素含量和组成保持不变
- 在非绿色愈伤组织中类胡萝卜素含量比野生型高约10倍，达到1800 μg/g干重，根中高约100倍，达到500 μg/g干重
- 愈伤组织中β-胡萝卜素成为主要类胡萝卜素，占总量的约50%（约650 μg/g干重），同时积累八氢番茄红素和六氢番茄红素等中间产物
- 过表达AtPSY的愈伤组织和根中形成类胡萝卜素晶体（偏振光显微镜证实）
- 白色胡萝卜根（QAL、KUT）中类胡萝卜素含量仅为5-14 μg/g干重，PSY蛋白检测不到，而橙色胡萝卜（CRC、NAN）中含量约800 μg/g干重，其中β-胡萝卜素占42%，PSY蛋白高水平表达
- 在白色胡萝卜中根特异表达细菌crtB基因后，根呈现黄色，类胡萝卜素含量在8周时约180 μg/g干重，16周时增加至约400 μg/g干重，并同样形成晶体。
研究结论
类胡萝卜素在晶体中的沉积可由单个生物合成酶（PSY）在非绿色质体中的功能过表达驱动，不需要叶绿体发育程序；PSY表达在白根向橙根转变中起主要限速作用。