Overexpression of an Exogenous Phytoene Synthase Gene in the Unicellular Alga Chlamydomonas reinhardtii Leads to an Increase in the Content of Carotenoids
- 作者
- I. Couso, M. Vila, H. Rodriguez, M. A. Vargas, R. Leon
- 单位
- Departamento de Quimica y Ciencia de Materiales, Lab Bioquimica y Biologia Molecular, Facultad de Ciencias Experimentales, University of Huelva; Instituto de Bioquimica Vegetal y Fotosíntesis, Centro de Investigaciones Científicas Isla de la Cartuja, University of Sevilla and Consejo Superior de Investigaciones Científicas
- 杂志
- Biotechnology Progress（2011）
- DOI
- 10.1002/btpr.527
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
微藻中类胡萝卜素含量低，需通过遗传改造提高产量；验证过表达外源PSY能否在莱茵衣藻中显著增加类胡萝卜素含量。
研究策略
从杜氏盐藻（Dunaliella salina）中克隆PSY基因，构建由强组成型启动子RBCS2和HSP70A驱动、RBCS2转运肽介导叶绿体靶向的表达载体，通过玻璃珠法转化莱茵衣藻，筛选稳定转化株并分析类胡萝卜素含量及PSY转录水平。
研究路线图
核心内容
该研究旨在通过代谢工程提高微藻类胡萝卜素含量，选取莱茵衣藻为宿主，从杜氏盐藻中克隆了八氢番茄红素合成酶基因（DsPSY），将其置于强组成型启动子RBCS2与HSP70A驱动下，并借助RBCS2转运肽实现叶绿体靶向表达，再经玻璃珠法转化获得稳定株系。结果显示，转化株C中紫黄质和叶黄素含量分别达到对照的2倍和2.6倍，β-胡萝卜素为1.25倍，新黄质为1.8倍，总类胡萝卜素含量波动于对照的125%至260%之间；DsPSY转录水平为内源PSY的3倍，且表型稳定数月。另一转化株H也表现出类似提升。这表明异源PSY在莱茵衣藻中确为类胡萝卜素合成路径的限速酶，且下游脱饱和及环化酶尚未饱和，存在进一步改造空间。该策略验证了通过外源基因过表达提升微藻类胡萝卜素产量的可行性，为相关工业化生产提供了参考。
创新点
首次在莱茵衣藻中成功过表达外源PSY基因（来自杜氏盐藻）并稳定提高类胡萝卜素含量；使用异源PSY验证其限速作用；实现叶绿体靶向表达。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Chlamydomonas reinhardtii | 类胡萝卜素生物合成 | DsPSY | 八氢番茄红素合成酶 (PSY) | 催化 | 来自Dunaliella salina的外源PSY，在RBCS2和HSP70A启动子控制下组成型表达，靶向叶绿体，过表达使类胡萝卜素含量提高 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 类胡萝卜素生物合成 | RBCS2 | RBCS2转运肽 | 区室化 | 介导PSY靶向叶绿体；同时RBCS2启动子也用于驱动外源基因表达 |
| Escherichia coli DH5α | 类胡萝卜素生物合成 | crtE, crtI, crtY | GGPP合酶、八氢番茄红素脱饱和酶、番茄红素环化酶 | 催化 | 用于DsPSY功能互补实验，与DsPSY共表达后产生β-胡萝卜素，验证了DsPSY的功能 |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | DsPSY | 八氢番茄红素合成酶 (PSY) | 催化 | DsPSY基因的来源生物，该藻可在胁迫条件下积累大量β-胡萝卜素 |
关键发现
- 转化株C中violaxanthin和lutein含量分别达到对照的2倍和2.6倍，β-胡萝卜素为1.25倍，新黄质为1.8倍
- 总类胡萝卜素含量为对照的125%-260%
- DsPSY转录水平为内源PSY的3倍
- 转化株H中violaxanthin和lutein分别为1.6和2.2倍
- 表型稳定数个月。
研究结论
在莱茵衣藻中稳定过表达杜氏盐藻PSY基因可显著增加类胡萝卜素含量，表明PSY是类胡萝卜素生物合成的关键限速酶，且下游脱饱和等酶未饱和；该策略可用于微藻类胡萝卜素生产。