The Arabidopsis ORANGE (AtOR) gene promotes carotenoid accumulation in transgenic corn hybrids derived from parental lines with limited carotenoid pools
- 作者
- Judit Berman, Uxue Zorrilla-López, Vicente Medina, Gemma Farré, Gerhard Sandmann, Teresa Capell, Paul Christou, Changfu Zhu
- 单位
- Department of Plant Production and Forestry Science, University of Lleida-Agrotecnio Center; Biosynthesis Group, Molecular Biosciences, Johann Wolfgang Goethe Universitat; ICREA, Catalan Institute for Research and Advanced Studies
- 杂志
- Plant Cell Reports（2017）
- DOI
- 10.1007/s00299-017-2126-z
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在类胡萝卜素池有限的白色玉米品系中，通过表达拟南芥OR基因促进类胡萝卜素积累，并明确AtOR在不同遗传背景下增强类胡萝卜素积累的条件和机制。
研究策略
利用胚乳特异性小麦低分子量谷蛋白启动子驱动AtOR在白色玉米M37W中表达；将最佳AtOR系OR2与四种不同类胡萝卜素/酮类胡萝卜素积累背景的转基因系杂交，分析子代的类胡萝卜素含量、组成、相关基因表达及质体小球形成。
核心内容
该研究在类胡萝卜素池有限的白色玉米品系M37W中，利用胚乳特异性启动子表达拟南芥OR基因（AtOR），并评估其在多种遗传背景下促进类胡萝卜素积累的潜力。结果表明，最佳转基因系OR2在30天授粉后总类胡萝卜素含量约为25 μg/g干重，较野生型提高32倍，且不改变类胡萝卜素组成，其中玉米黄质、花药黄质、叶黄素和紫黄质分别增加约30倍、170倍、23倍和15倍。将OR2与低酮类胡萝卜素系KETO1杂交后，子代总类胡萝卜素含量较KETO1提高22倍，但与高类胡萝卜素亲本杂交后AtOR对总含量无显著影响，说明其作用依赖于亲本类胡萝卜素池大小。此外，AtOR上调ZmDXS1表达约2倍并下调ZmLYCE约2倍，透射电镜显示AtOR在低类胡萝卜素背景下促进质体小球形成。这些发现表明AtOR通过促进类胡萝卜素螯合至质体小球来增强积累，仅在类胡萝卜素池有限时有效，为玉米类胡萝卜素营养强化提供了背景依赖性的工程策略。
创新点
首次在玉米胚乳中表达AtOR并证明其仅在类胡萝卜素池有限时促进积累；证明AtOR不改变类胡萝卜素组成，只增加丰度；通过杂交组合揭示了AtOR的作用依赖于亲本背景；发现质体小球形成与类胡萝卜素含量相关，而非AtOR直接诱导。
研究对象（21）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 玉米（M37W） | 类胡萝卜素生物合成 | AtOR | OR蛋白 | 调控 | 稳定PSY蛋白，促进类胡萝卜素积累，不改变组成。 |
| 玉米（M37W） | 类胡萝卜素生物合成 | ZmPSY1 | 八氢番茄红素合酶1 | 催化 | 类胡萝卜素合成第一步。 |
| 玉米（M37W） | 类胡萝卜素生物合成 | ZmPSY2 | 八氢番茄红素合酶2 | 催化 | 同工酶。 |
| 玉米（M37W） | 类胡萝卜素生物合成 | ZmLYCE | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 调控α分支。 |
| 玉米（M37W） | 类胡萝卜素生物合成 | ZmLYCB | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 调控β分支。 |
| 玉米（M37W） | 类胡萝卜素生物合成 | ZmBCH1 | 类胡萝卜素β-羟化酶1 | 催化 | 参与玉米黄质合成。 |
| 玉米（M37W） | 类胡萝卜素生物合成 | ZmBCH2 | 类胡萝卜素β-羟化酶2 | 催化 | 同工酶。 |
| 玉米（M37W） | 类胡萝卜素生物合成 | ZmCYP97A | P450类胡萝卜素β-羟化酶A | 催化 | 羟化酶。 |
| 玉米（M37W） | 类胡萝卜素生物合成 | ZmCYP97B | P450类胡萝卜素β-羟化酶B | 催化 | 羟化酶。 |
| 玉米（M37W） | 类胡萝卜素生物合成 | ZmCYP97C | P450类胡萝卜素ε-羟化酶 | 催化 | 羟化酶。 |
| 玉米（M37W） | MEP途径 | ZmDXS1 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶1 | 催化 | MEP途径第一步。 |
| 玉米（M37W） | MEP途径 | ZmDXS2 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶2 | 催化 | MEP途径。 |
| 玉米（M37W） | MEP途径 | ZmDXS3 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶3 | 催化 | MEP途径。 |
| 玉米（M37W） | MEP途径 | ZmDXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | MEP途径。 |
| 玉米（M37W） | MEP途径 | ZmHDR | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶 | 催化 | MEP途径。 |
| 玉米（M37W） | 质体发育 | ZmPFTF | 质体融合/转位因子 | 转运 | 参与质体融合和膜蛋白转运，可能与色素体形成有关。 |
| 玉米（M37W） | 酮类胡萝卜素生物合成 | sBrCRTZ | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 来自Brevundimonas sp. SD212，用于酮类胡萝卜素途径。 |
| 玉米（M37W） | 酮类胡萝卜素生物合成 | sBrCRTW | β-胡萝卜素酮醇酶 | 催化 | 来自Brevundimonas sp. SD212，催化生成酮基。 |
| 玉米（M37W） | 酮类胡萝卜素生物合成 | sCrBKT | β-胡萝卜素酮醇酶 | 催化 | 来自Chlamydomonas reinhardtii。 |
| 玉米（M37W） | 类胡萝卜素生物合成 | PaCRTI | 八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 来自Pantoea ananatis，催化脱氢。 |
| 玉米（M37W） | 类胡萝卜素生物合成 | GILYCB | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 来自其他物种，用于增强β分支。 |
关键发现
- ['在白色玉米M37W中过表达AtOR，最佳系OR2在30 DAP时总类胡萝卜素含量约为25 μg/g DW，比野生型提高32倍，且不改变类胡萝卜素组成。', 'OR2中玉米黄质、花药黄质、叶黄素、紫黄质分别增加约30倍、170倍、23倍和15倍。', '将OR2与低酮类胡萝卜素系KETO1杂交，ORxKETO1在30 DAP总类胡萝卜素约为9 μg/g DW，比KETO1提高22倍
- 60 DAP约为8 μg/g DW，提高14倍。', '与高类胡萝卜素亲本（CARO1、CARO2、KETO2）杂交后，AtOR对总类胡萝卜素含量无显著影响。', '转基因株系中，ZmDXS1表达上调约2倍，ZmLYCE表达下调约2倍。', '透射电镜显示，高类胡萝卜素背景下质体小球更丰富，AtOR在低类胡萝卜素背景下可诱导更多质体小球形成。']
研究结论
AtOR在类胡萝卜素池有限时通过促进类胡萝卜素螯合质体小球的形成来增强玉米胚乳类胡萝卜素积累，但当类胡萝卜素已丰富时无进一步作用；AtOR不改变类胡萝卜素组成，也不是自主启动质体分化，其作用依赖于背景和类胡萝卜素水平。