DsLCYB Directionally Modulated β-Carotene of the Green Alga Dunaliella salina under Red Light Stress
- 作者
- Yanhong Lan, Yao Song, Yihan Guo, Dairong Qiao, Yi Cao, Hui Xu
- 单位
- Microbiology and Metabolic Engineering Key Laboratory of Sichuan Province, College of Life Sciences, Sichuan University, Chengdu 610065, P.R. China
- 杂志
- Journal of Microbiology and Biotechnology（2022）
- DOI
- 10.4014/jmb.2208.08044
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过调控杜氏盐藻中番茄红素β-环化酶（DsLCYB）基因的表达，定向提高β-胡萝卜素及其下游产物的积累，并探究红光胁迫下的调控作用。
研究策略
从杜氏盐藻中克隆DsLCYB基因，构建过表达转基因藻株（DsLCYB-oe1），通过农杆菌介导转化，结合白光、红光、蓝光不同光质胁迫，分析类胡萝卜素总含量、组分（HPLC）、相关基因表达（RT-qPCR）及生长表型。
核心内容
该研究从杜氏盐藻中克隆了番茄红素β-环化酶基因DsLCYB，并通过农杆菌介导法构建过表达转基因藻株DsLCYB-oe1，在白光、红光和蓝光三种光质胁迫下系统评估了该基因对类胡萝卜素代谢的调控作用。结果显示，过表达DsLCYB显著提高了总类胡萝卜素含量，红光条件下最高达8.46 mg/g，约为野生型（7.14 mg/g）的1.21倍，且β-胡萝卜素含量为野生型的1.5–1.8倍，β-隐黄素为1.1–1.3倍，同时红光处理48小时可使DsLCYB转录水平上调5.50倍。值得注意的是，转基因株系中叶绿素含量在红光下达32.5 mg/g（野生型为19.2 mg/g），单细胞类胡萝卜素含量达0.89 pg/cell，而α-胡萝卜素和叶黄素含量未受抑制，细胞生长也未见负面影响。该研究首次在杜氏盐藻中功能验证了DsLCYB的过表达能定向引导代谢流向β-分支，红光胁迫进一步强化了这一效应，为以杜氏盐藻为底盘通过光质调控结合代谢工程手段工业化生产β-胡萝卜素提供了理论基础。
创新点
首次在杜氏盐藻中功能鉴定并过表达DsLCYB，证明其定向调控类胡萝卜素代谢流向β-分支；发现红光胁迫下β-胡萝卜素积累更有利，且不影响α-胡萝卜素和叶黄素含量。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | DsLCYB | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 过表达靶基因，催化番茄红素环化生成β-胡萝卜素 |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | DsLCYE | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 催化番茄红素生成α-胡萝卜素分支，在转基因藻中下调 |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | DsBCH | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 催化β-胡萝卜素生成β-隐黄素和玉米黄质 |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | DsCYP | 细胞色素P450 | 催化 | 参与α-分支下游的羟化反应 |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | DsGGPS | 香叶基香叶基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化IPP和DMAPP缩合生成GGPP前体 |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | DsPPS | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 催化两分子GGPP生成八氢番茄红素 |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | DsPDS | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 催化八氢番茄红素去饱和生成ζ-胡萝卜素 |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | DsZDS | ζ-胡萝卜素脱氢酶 | 催化 | 催化ζ-胡萝卜素去饱和生成番茄红素 |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | DsCRTISO | 胡萝卜素异构酶 | 催化 | 催化胡萝卜素顺反异构，生成全反式番茄红素 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 异源蛋白表达 | DsLCYB | 番茄红素β-环化酶（重组） | 催化 | 用于DsLCYB的异源表达和体外蛋白纯化 |
关键发现
- 过表达DsLCYB使总类胡萝卜素含量最高达8.46 mg/g（红光下），较野生型（7.14 mg/g）提高约1.21倍（摘要提及最高1.26倍）
- 红光下β-胡萝卜素含量为2.5-3.3 μg/g（1.5-1.8倍于野生型），β-隐黄素为0.36-0.47 μg/g（1.1-1.3倍）
- DsLCYB转录水平在红光48 h上调5.50倍
- 叶绿素含量在红光下达32.5 mg/g（野生型19.2 mg/g），叶绿素/类胡萝卜素摩尔比在转基因株中为3.64（野生型4.07）
- 单个细胞类胡萝卜素含量为0.89 pg/cell（野生型0.62 pg/cell）。
研究结论
DsLCYB过表达显著提高杜氏盐藻类胡萝卜素含量，并定向促进代谢流进入β-分支，增加β-胡萝卜素和β-隐黄素积累，同时不抑制α-胡萝卜素和叶黄素合成，对细胞生长无负面影响，为类胡萝卜素的代谢调控和工业化生产提供了理论依据。