Antisense inhibition of sorbitol synthesis leads to up-regulation of starch synthesis without altering CO2 assimilation in apple leaves
- 作者
- Lailiang Cheng, Rui Zhou, Edwin J. Reidel, Thomas D. Sharkey, Abhaya M. Dandekar
- 杂志
- Planta（2004）
- DOI
- 10.1007/s00425-004-1384-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析苹果叶片中山梨醇合成减少（由反义抑制A6PR引起）对光合碳分配和淀粉合成调控的影响，以及CO2同化如何维持。
研究策略
利用反义RNA技术抑制苹果'Greensleeves'中A6PR表达，比较转基因株系与非转化对照在A6PR活性、糖醇/糖含量、新固定碳的14C分配、关键酶活性、代谢物浓度及CO2同化响应上的差异。
核心内容
该研究通过反义RNA技术抑制苹果叶片中醛糖-6-磷酸还原酶（A6PR）表达，系统解析了山梨醇合成减少对光合碳分配的影响。在多个转基因株系中，成熟叶A6PR活性降至对照的15%–30%，山梨醇浓度相应下降，而蔗糖与淀粉含量在昼夜两个时点均显著升高。14CO2脉冲追踪实验显示，山梨醇中碳分配降至对照的约四分之一，淀粉分配提高约4倍，蔗糖分配未变。尽管SPS、AGPase及Rubisco总活性无显著变化，但胞质与基质FBPase活性在高抑制株系中明显升高，同时葡萄糖-6-磷酸、果糖-6-磷酸及果糖-2,6-二磷酸浓度上升，磷酸甘油酸浓度下降。不同株系在响应光强和胞间CO2浓度时的CO2同化率与对照无显著差异（各株系约21–23 µmol m⁻² s⁻¹）。结果表明，山梨醇合成减少触发胞质FBPase活性降低，限制碳流向胞质，进而上调叶绿体淀粉合成，以补偿磷酸三糖利用的减少，从而在环境及饱和CO2下维持光合速率。苹果叶片的光合碳分配具备高度可塑性。
创新点
首次在苹果中通过反义抑制A6PR研究山梨醇合成减少对光合碳分配的调控，发现淀粉合成上调完全补偿了山梨醇降低导致的磷酸三糖利用减少，使CO2同化在环境CO2和饱和CO2下均得以维持。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 苹果（Malus domestica 'Greensleeves'） | 山梨醇合成 | A6PR（aldose 6-phosphate reductase） | 醛糖-6-磷酸还原酶（A6PR） | 催化 | 反义抑制表达，降低成熟叶中A6PR活性和山梨醇合成 |
| 苹果（Malus domestica 'Greensleeves'） | 蔗糖合成 | — | 蔗糖磷酸合酶（SPS） | 催化 | 总活性无显著变化，但蔗糖浓度升高 |
| 苹果（Malus domestica 'Greensleeves'） | 光合碳固定 | — | 核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco） | 催化 | 总活性无显著变化 |
| 苹果（Malus domestica 'Greensleeves'） | 淀粉合成 | — | ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase） | 催化 | 总活性无显著变化，体内活性上调 |
| 苹果（Malus domestica 'Greensleeves'） | 蔗糖合成 | — | 胞质果糖-1,6-二磷酸酶（cytoFBPase） | 催化 | 在15%活性株系中总活性升高，但体内活性下调 |
| 苹果（Malus domestica 'Greensleeves'） | 卡尔文循环/淀粉合成 | — | 基质果糖-1,6-二磷酸酶（stromal FBPase） | 催化 | 在15%活性株系中活性升高 |
关键发现
- 反义A6PR使成熟叶A6PR活性降至对照的15%-30%；山梨醇浓度在A27降至约60%，其余株系约30%；蔗糖和淀粉浓度在黄昏和黎明均升高。14CO2脉冲追踪表明，山梨醇分配显著下降（A10降至对照的1/4），淀粉分配增加约4倍，蔗糖分配不变。SPS、AGPase、Rubisco总活性无显著变化，而胞质和基质FBPase活性在15%活性株系中显著升高。G6P和F6P浓度升高，PGA浓度在15%活性株系中降低，F2,6BP浓度升高。CO2同化在响应PFD和胞间CO2浓度时无显著差异；脉冲追踪期间CO2同化速率为CK
- 25±0.3、A27
- 77±0.43、A04
- 33±0.54、A10
- 63±0.37 μmol m-2 s-1。
研究结论
山梨醇合成降低后，体内胞质FBPase活性被下调，减少碳流向胞质，进而上调叶绿体淀粉合成，从而在环境CO2和饱和CO2下维持CO2同化。苹果光合系统对碳分配具有显著可塑性。