Alteration of flower color in Iris germanica L. ‘Fire Bride’ through ectopic expression of phytoene synthase gene (crtB) from Pantoea agglomerans
- 作者
- Zoran Jeknić, Stevan Jeknić, Slađana Jevremović, Angelina Subotić, Tony H. H. Chen
- 单位
- Department of Horticulture, Oregon State University, Corvallis, OR 97331, USA; Institute for Biological Research “Siniša Stanković”, University of Belgrade, Bulevar despota Stefana 142, 11060 Belgrade, Serbia
- 杂志
- Plant Cell Reports（2014）
- DOI
- 10.1007/s00299-014-1617-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
鸢尾（Iris germanica）缺乏天然红色花品种，传统育种无法培育出红色花，论文旨在通过代谢工程调控类胡萝卜素合成途径来产生红色花。
研究策略
将来自Pantoea agglomerans的八氢番茄红素合成酶基因crtB与烟草RuBisCO小亚基转运肽融合，置于百合辣椒红素-辣椒玉红素合酶基因启动子PLlccs控制下，通过农杆菌介导转化粉红色鸢尾‘Fire Bride’，异位表达以增加类胡萝卜素（特别是番茄红素）的积累，从而改变花色。
核心内容
该研究通过农杆菌介导转化，将来自成团泛菌的八氢番茄红素合成酶基因crtB与烟草RuBisCO小亚基转运肽融合，置于花特异性启动子PLlccs控制下，在粉红色有髯鸢尾‘Fire Bride’中异位表达，以尝试通过增强类胡萝卜素积累产生红色花。转基因愈伤组织中番茄红素积累达约52 μg/g DW，叶黄素和α-胡萝卜素均提升约3倍，新黄素和紫黄素提升约7倍。在子房、花梗等器官中，番茄红素分别达约184和45 μg/g DW，叶绿素含量下降约8至10倍，产生明显的橙橙色表型；但在标准瓣和垂瓣中，番茄红素含量反而较对照低14%，且叶绿素完全消失，未能产生红色花。RT-PCR证实crtB主要在花器官表达。结果表明，利用细菌crtB异位表达可有效改变鸢尾特定花器官颜色，但受限于质体贮存能力或下游限速步骤，尚不足以在花瓣中实现红色花的生成，为花卉花色代谢工程提供了可行策略和改良方向。
创新点
首次在花卉中利用细菌crtB基因异位表达来改变花色；利用花特异性启动子PLlccs实现转基因在花器官中的优势表达；成功在鸢尾的子房、花梗、花药等部位产生新的橙色和粉色花色性状。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Iris germanica L. 'Fire Bride'（有髯鸢尾） | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtB | CrtB（八氢番茄红素合成酶） | 催化 | 来自Pantoea agglomerans，催化两分子GGPP生成八氢番茄红素，是类胡萝卜素合成的第一个限速步骤 |
| Iris germanica L. 'Fire Bride' | 类胡萝卜素生物合成途径 | PLlccs（启动子） | — | 调控 | 来自Lilium lancifolium的辣椒红素-辣椒玉红素合酶基因启动子，驱动下游基因在花器官中特异性表达 |
| Iris germanica L. 'Fire Bride' | — | TP（RuBisCO小亚基转运肽编码序列） | RuBisCO小亚基转运肽（TP） | 区室化 | 来自烟草（Nicotiana sylvestris），引导CrtB蛋白进入质体（叶绿体/白色体） |
关键发现
- 在crtB转基因愈伤组织中，番茄红素积累达约52 μg/g DW（对照无/痕量），叶黄素和α-胡萝卜素分别由约12和8 μg/g DW增至约38和26 μg/g DW（约3倍），新黄素和紫黄素增至约1.3和3 μg/g DW（约7倍）。转基因植株的子房呈现深橙色，其中番茄红素达约184 μg/g DW（对照约8.5 μg/g DW），α+β胡萝卜素约174 μg/g DW（对照约52 μg/g DW），叶绿素a和b分别由约681和237 μg/g DW降至约67和22 μg/g DW（约10倍）。花梗中番茄红素约45 μg/g DW（对照无），叶绿素a和b下降约8倍和9倍。但标准瓣和垂瓣中，转基因植株番茄红素约521 μg/g DW，反而比对照（约595 μg/g DW）低14%
- 叶黄素、新黄素、紫黄素分别减少48%、43%和35%，且叶绿素a和b完全检测不到。RT-PCR显示crtB主要在花组织中表达，叶片和根茎中仅痕量。
研究结论
异位表达crtB基因能有效改变鸢尾‘Fire Bride’多个花器官的颜色（子房由绿变橙、花梗变橙、花药变粉），但在标准瓣和垂瓣中未能增加番茄红素含量，反而略降，未产生红色花。结果表明该方法可用于改变特定花器官颜色，但若要产生红色花可能需进一步解决质体贮存能力或限速步骤等问题。