Stress-induced expression of choline oxidase in potato plant chloroplasts confers enhanced tolerance to oxidative, salt, and drought stresses
- 作者
- Raza Ahmad, Myoung Duck Kim, Kyung-Hwa Back, Hee-Sik Kim, Haeng-Soon Lee, Suk-Yoon Kwon, Norio Murata, Won-Il Chung, Sang-Soo Kwak
- 单位
- Department of Biological Sciences, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Daejon 305-701, South Korea; Environmental Biotechnology Research Center, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology (KRIBB), Eoeun-dong 52, Yuseong, Daejon 305-806, South Korea; Plant Genomics Research Center, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology (KRIBB), Eoeun-dong 52, Yuseong, Daejon 305-806, South Korea; National Institute for Basic Biology, Myodaiji, Okazaki 444-8585, Japan
- 杂志
- Plant Cell Reports（2008）
- DOI
- 10.1007/s00299-007-0479-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
马铃薯作为非甘氨酸甜菜碱积累作物，对盐、旱、氧化等非生物胁迫敏感，传统育种难以提高其综合抗逆性，需通过基因工程导入外源抗逆基因。
研究策略
将来自球形节杆菌的胆碱氧化酶基因codA与烟草Rubisco小亚基转运肽融合，置于氧化胁迫诱导型SWPA2启动子下游，通过农杆菌介导转化马铃薯品种'Superior'，使转化植株在叶绿体中合成甘氨酸甜菜碱（GB），评估其对氧化、盐和干旱胁迫的耐受性。
核心内容
该研究将来自球形节杆菌的胆碱氧化酶基因codA与烟草Rubisco小亚基转运肽融合，置于氧化胁迫诱导型SWPA2启动子下游，通过农杆菌介导转化马铃薯品种'Superior'，实现甘氨酸甜菜碱在叶绿体中的靶向合成。获得的转基因株系SC1和SC2在甲基紫精处理后甜菜碱含量分别达到0.9和1.43 μmol/g鲜重，明显高于未处理水平。胁迫耐受性评估显示，150 mM NaCl处理2周后，转基因株系光合活性仅下降38%和27%，而非转基因植株下降58%；干旱14天后转基因株系相对水含量减少43%和33%，非转基因减少62%；盐胁迫下转基因株系茎干重减少仅12%和6%，而非转基因减少39%。结果表明，利用胁迫诱导型启动子驱动胆碱氧化酶在叶绿体中合成甘氨酸甜菜碱，可显著增强马铃薯对氧化、盐和干旱胁迫的综合耐受性，且不影响正常生长条件下植株表现，为抗逆作物改良提供了可行策略。
创新点
首次在重要马铃薯品种中工程化甘氨酸甜菜碱合成途径；使用胁迫诱导型SWPA2启动子替代组成型启动子，减少对植物生长的负面影响；将codA靶向叶绿体，提高GB合成效率。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 马铃薯（Solanum tuberosum L. cv. Superior） | 甘氨酸甜菜碱合成途径 | codA | 胆碱氧化酶（choline oxidase） | 催化 | 来自球形节杆菌，在叶绿体中合成甘氨酸甜菜碱 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum L. cv. Superior） | — | SWPA2启动子 | — | 调控 | 氧化胁迫诱导型启动子，控制codA基因表达 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum L. cv. Superior） | — | TP（转运肽） | 烟草Rubisco小亚基转运肽 | 区室化 | 将codA蛋白靶向叶绿体 |
关键发现
- 获得17个转基因株系，其中SC1和SC2在MV处理后GB含量分别为0.9和1.43 μmol/g鲜重，未处理时分别为0.27和0.22 μmol/g鲜重
- 经150 mM NaCl处理2周，SC1和SC2光合活性分别下降38%和27%，而非转基因（NT）下降58%
- 在5 μM MV处理72h后，SC1和SC2离子渗漏分别为25%和31%，NT为60%
- 在80 mM NaCl下，SC1和SC2茎干重减少分别为12%和6%，NT减少39%，根干重分别比NT高45%和53%
- 盐胁迫后NT干重减少37%，SC1和SC2仅减少9%和4%
- 干旱胁迫14天后，SC1和SC2相对水含量减少分别为43%和33%，NT减少62%，干重积累减少11%和6%，NT减少55%。
研究结论
研究表明，在叶绿体中通过胁迫诱导表达胆碱氧化酶合成甘氨酸甜菜碱，能显著增强马铃薯对氧化、盐和干旱胁迫的耐受性，为开发可持续农业用的抗逆转基因作物提供了有效策略。