Plastid-expressed choline monooxygenase gene improves salt and drought tolerance through accumulation of glycine betaine in tobacco
- 作者
- Jiang Zhang, Wei Tan, Xing-Hong Yang, Hong-Xia Zhang
- 单位
- National Key Laboratory of Plant Molecular Genetics, Shanghai Institute of Plant Physiology and Ecology, Chinese Academy of Sciences; State Key Laboratory of Plant Biology, College of Life Sciences, Shandong Agricultural University
- 杂志
- Plant Cell Reports（2008）
- DOI
- 10.1007/s00299-008-0549-2
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
烟草等非甘氨酸甜菜碱积累植物缺乏完整的甜菜碱合成途径，通过核转基因表达CMO的效率较低，本文探索利用叶绿体（质体）基因组工程在烟草中表达甜菜碱CMO，以提高甘氨酸甜菜碱积累并增强耐盐和抗旱性。
研究策略
通过叶绿体遗传转化，将甜菜来源的BvCMO基因整合到烟草叶绿体基因组rps14/trnfM-trnG/ycf9间隔区，利用核糖体RNA操纵子启动子和T7 G10前导序列组成型表达，并以aadA基因作为筛选标记，获得同质化的转质体烟草植株。
核心内容
该研究利用叶绿体基因组工程，将甜菜来源的胆碱单加氧酶基因BvCMO整合至烟草叶绿体基因组，借助核糖体RNA操纵子启动子实现组成型表达，获得同质化转质体植株。转质体烟草叶片甘氨酸甜菜碱含量达200–250 nmol/g鲜重，约为核转化体系的4倍。在100 mM NaCl处理下，转质体种子萌发率超过80%，而野生型仅约30%；150 mM盐胁迫36天后，转质体植株保持更高的光合速率、气孔导度和实际PSII效率，叶绿素含量下降延迟。在300 mM甘露醇模拟干旱条件下，转质体萌发率超过70%，干旱15天仍保持正常状态而野生型完全萎蔫。结果表明叶绿体区室化积累甘氨酸甜菜碱能有效保护光合机构，显著增强烟草耐盐抗旱能力，为利用叶绿体基因工程改良作物非生物胁迫耐受性提供了可行策略。
创新点
首次在叶绿体中表达胆碱单加氧酶（CMO），避免了核转化中转运肽介导的跨膜过程，提高了CMO活性及甘氨酸甜菜碱的积累水平；利用叶绿体区室化使甘氨酸甜菜碱在叶绿体内积累，更有效地保护光合机构。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草（Nicotiana tabacum L. cv Wisconsin 38）叶绿体 | 甘氨酸甜菜碱生物合成途径 | BvCMO | 胆碱单加氧酶（CMO） | 催化 | 来自甜菜（Beta vulgaris），催化胆碱氧化为甜菜碱醛；在叶绿体基因组中组成型表达，定位于叶绿体基质。 |
| 烟草（Nicotiana tabacum L. cv Wisconsin 38）叶绿体 | 甘氨酸甜菜碱生物合成途径 | BADH（内源基因） | 甜菜碱醛脱氢酶（BADH） | 催化 | 烟草内源BADH催化甜菜碱醛转化为甘氨酸甜菜碱，是完成途径第二步所需的酶。 |
关键发现
- 转质体烟草叶片中甘氨酸甜菜碱含量为200-250 nmol/g FW，而野生型<1 nmol/g FW，比此前核转化菠菜CMO的烟草（50-60 nmol/g FW）高约4倍（最大0.25 μmol/g FW vs 0.06 μmol/g FW）。在100 mM NaCl下6天，转质体种子萌发率>80%，野生型仅~30%
- 150 mM NaCl下13天，转质体~80%，野生型~20%。150 mM NaCl处理36天后，野生型叶鲜重比转质体低约25%，但根鲜重相似
- 盐胁迫下转质体植株叶绿素含量下降延迟。盐胁迫下转质体植株的净光合速率、气孔导度、表观量子产量和羧化效率均高于野生型
- 两者的最大PSII光化学效率（Fv/Fm）无显著差异，但实际PSII效率（ΦPSII）下降幅度野生型更大。在300 mM甘露醇培养基上24天，转质体种子萌发率>70%，野生型仅~20%
- 干旱15天后野生型完全萎蔫，而转质体（M11-4、M21-6）未受影响，复水恢复更好
- 离体叶片失水率显著低于野生型。
研究结论
叶绿体表达BvCMO基因可在烟草中有效合成甘氨酸甜菜碱，并通过在叶绿体中区室化积累显著提高烟草的耐盐性和抗旱性，表明叶绿体基因工程是改良作物非生物胁迫耐受性的可行策略。