Carotenoid biosynthesis structural genes in carrot (Daucus carota): isolation, sequence-characterization, single nucleotide polymorphism (SNP) markers and genome mapping
- 作者
- B. J. Just, C. A. F. Santos, M. E. N. Fonseca, L. S. Boiteux, B. B. Oloizia, P. W. Simon
- 单位
- Plant Breeding and Plant Genetics Program, and Department of Horticulture, University of Wisconsin, Madison, WI, USA; Embrapa-Semi-Arido, Petrolina-PE, Brazil; Embrapa-Hortaliças, National Center for Vegetable Crops Research (CNPH), Brasília-DF, Brazil; USDA-ARS, Vegetable Crops Research Unit, University of Wisconsin, Madison, WI, USA
- 杂志
- Theoretical and Applied Genetics（2007）
- DOI
- 10.1007/s00122-006-0469-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
胡萝卜中类胡萝卜素生物合成途径的结构基因缺乏序列信息和遗传定位信息，限制了通过标记辅助选择和候选基因策略改良胡萝卜类胡萝卜素含量的研究。
研究策略
利用已知胡萝卜序列和从其他植物物种保守区域设计的简并引物进行异源PCR，分离胡萝卜类胡萝卜素生物合成基因；开发拷贝特异性引物和SNP标记；利用B493×QAL的F2群体进行遗传连锁图谱定位；通过RACE PCR和RT-PCR获得全长cDNA序列。
核心内容
该研究针对胡萝卜中类胡萝卜素生物合成途径缺乏序列与遗传定位信息的问题，系统开展了结构基因的分离、标记开发与图谱定位工作。利用已知序列及从其他植物保守区域设计的简并引物进行异源PCR，结合RACE和RT-PCR获得全长cDNA，在胡萝卜中首次分离了24个推定类胡萝卜素生物合成结构基因，其中15个为新基因；进一步开发SNP标记，通过B493×QAL的F2群体将其中22个基因定位到8个连锁群上。关键结果方面，ZDS2和ZEP与最显著的类胡萝卜素积累QTL区域在连锁群5共定位，提示二者可作为该QTL的候选基因；20个基因在橙色胡萝卜根组织中检测到转录并获全长cDNA，表明转录调控可能并非类胡萝卜素积累的主要调控点。该研究提供的SNP标记和遗传图谱为胡萝卜遗传图谱整合提供了锚定标记，克隆的全长cDNA序列也为后续通过转基因或标记辅助选择改良类胡萝卜素含量奠定了基础。
创新点
首次在胡萝卜中系统分离了24个类胡萝卜素生物合成结构基因，其中15个为新基因；建立了SNP标记并定位到22个基因；两个基因（ZDS2和ZEP）与类胡萝卜素积累QTL共定位；完成了20个基因的全长cDNA测序。
研究对象（24）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | IPI | 异戊烯基焦磷酸异构酶 | 催化 | 未定位，因无多态性 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | GGPS1 | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶1 | 催化 | 未定位，因严重分离偏畸 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | GGPS2 | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶2 | 催化 | 定位在连锁群2 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | PSY1 | 八氢番茄红素合酶1 | 催化 | 定位在连锁群3 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | PSY2 | 八氢番茄红素合酶2 | 催化 | 定位在连锁群8 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | ZDS1 | ζ-胡萝卜素脱饱和酶1 | 催化 | 定位在连锁群4 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | ZDS2 | ζ-胡萝卜素脱饱和酶2 | 催化 | 定位在连锁群5，与类胡萝卜素积累QTL共定位 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | PDS | 八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 定位在连锁群2 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | CRTISO | 类胡萝卜素异构酶 | 催化 | 定位在连锁群6 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | LCYB | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 定位在连锁群3 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | LCYE | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 定位在连锁群9 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | CCS | 辣椒红素/辣椒玉红素合酶（可能为lycopene β-cyclase，LCYB2） | 催化 | 定位在连锁群3，讨论中建议命名为LCYB2 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | ZEP | 玉米黄质环氧化酶 | 催化 | 定位在连锁群5，与类胡萝卜素积累QTL共定位 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | VDE | 紫黄质脱环氧化酶 | 催化 | 定位在连锁群6 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | CHXB1 | β-胡萝卜素羟化酶1 | 催化 | 定位在连锁群3 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | CHXB2 | β-胡萝卜素羟化酶2 | 催化 | 定位在连锁群6 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | CHXB3 | β-胡萝卜素羟化酶3 | 催化 | 定位在连锁群6 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | CHXE | ε-环羟化酶 | 催化 | 定位在连锁群2 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | NCED1 | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶1 | 催化 | 定位在连锁群2 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | NCED2 | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶2 | 催化 | 定位在连锁群2 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | NCED3 | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶3 | 催化 | 定位在连锁群6 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | CCD1 | 类胡萝卜素裂解双加氧酶1 | 催化 | 定位在连锁群3 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | CCD2 | 类胡萝卜素裂解双加氧酶2 | 催化 | 定位在连锁群1 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 类胡萝卜素生物合成途径 | CCD3 | 类胡萝卜素裂解双加氧酶3 | 催化 | 定位在连锁群3 |
关键发现
- 从胡萝卜中分离了24个推定类胡萝卜素生物合成结构基因，其中22个成功定位到胡萝卜遗传连锁图谱上，分布于8个连锁群（9个连锁群中的8个）
- 15个为新发现的基因
- ZDS2和ZEP与最显著的类胡萝卜素积累QTL区域共定位，Y2mark也定位到该区域（连锁群5）
- 在橙色胡萝卜根组织中检测到20个基因的mRNA表达并获得了全长cDNA序列
- CCD2单独定位在连锁群1，连锁群2包含NCED1、CHXE、NCED2、GGPS2和PDS共5个基因，连锁群3包含PSY1、CCS、CCD1、CCD3、CHXB1和LCYB共6个基因，ZDS1在连锁群4，ZDS2和ZEP在连锁群5，CRTISO、VDE、NCED3、CHXB2、CHXB3在连锁群6，连锁群7无任何类胡萝卜素结构基因，PSY2和LCYE分别在连锁群8和9
- IPI因无多态性、GGPS1因严重分离偏畸未被定位。
研究结论
本研究建立的类胡萝卜素生物合成基因的SNP标记和遗传图谱为胡萝卜遗传图谱的整合提供了锚定标记，ZDS2和ZEP可作为类胡萝卜素积累QTL的候选基因。所有基因在橙色胡萝卜根中均有转录，表明转录调控可能不是主要的调控点。克隆的全长cDNA序列为后续表达分析及通过转基因手段改良胡萝卜类胡萝卜素含量奠定了基础。