Overexpression of a carrot BCH gene, DcBCH1, improves tolerance to drought in Arabidopsis thaliana
- 作者
- Tong Li, Jie-Xia Liu, Yuan-Jie Deng, Zhi-Sheng Xu, Ai-Sheng Xiong
- 单位
- 南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室
- 杂志
- BMC Plant Biology（2021）
- DOI
- 10.1186/s12870-021-03236-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
解析胡萝卜非血红素胡萝卜素羟化酶基因DcBCH1在干旱胁迫响应中的功能，及其通过调控类胡萝卜素合成影响植物抗旱性的分子机制。
研究策略
从胡萝卜中克隆DcBCH1，构建35S启动子驱动的过表达载体转化拟南芥；通过生理生化测定（SOD/POD活性、MDA含量、NBT染色、ABA含量、类胡萝卜素含量）和类胡萝卜素合成相关基因表达分析，评估转基因植株的干旱耐受性并解析调控机制。
核心内容
研究从胡萝卜中克隆了非血红素β-胡萝卜素羟化酶基因DcBCH1，并通过35S启动子驱动其在拟南芥中过表达，以解析该基因在干旱胁迫响应中的功能。干旱处理1小时后，DcBCH1表达量升至初始水平的3.8倍，表明其受干旱快速诱导。转基因拟南芥在干旱胁迫后ABA含量达111–136 ng/g FW，明显高于野生型的98 ng/g FW，同时ABA合成关键基因AtNCED3的表达上调1.2–3.8倍。生理测定显示，转基因植株的SOD和POD活性显著升高，MDA含量和O2-积累则低于野生型，存活率更高。值得注意的是，转基因植株叶黄素和β-胡萝卜素含量低于野生型，而大部分内源类胡萝卜素合成基因在干旱后表达显著上调，提示DcBCH1通过加速类胡萝卜素合成与代谢，增强活性氧清除并促进ABA积累。该研究首次从胡萝卜中克隆并验证DcBCH1功能，揭示了其通过协调类胡萝卜素代谢提高植物抗旱性的新机制，为抗旱育种提供了候选基因。
创新点
首次从胡萝卜中克隆并功能验证DcBCH1；揭示了DcBCH1通过加速类胡萝卜素合成与代谢、增强活性氧清除能力和促进ABA积累来提高植物抗旱性的新机制。
研究对象（14）
| 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（β分支） | DcBCH1 | 非血红素β-胡萝卜素羟化酶（BCH） | 催化 | 从胡萝卜中克隆的靶基因，干旱胁迫诱导表达 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素生物合成途径 | AtGGPS | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶（GGPP合酶） | 催化 | 参与类胡萝卜素前体GGPP合成 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素生物合成途径 | AtPSY | 八氢番茄红素合成酶 | 催化 | 类胡萝卜素合成限速酶，干旱后表达显著上调 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素生物合成途径 | AtPDS | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 干旱后表达上调 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素生物合成途径 | AtZDS | ζ-胡萝卜素脱氢酶 | 催化 | 干旱后表达上调 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素生物合成途径 | AtZISO | ζ-胡萝卜素异构酶 | 催化 | 干旱后表达上调 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素生物合成途径 | AtCRTISO | 胡萝卜素异构酶 | 催化 | 干旱后表达上调 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素生物合成途径 | AtLCYE | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 干旱后表达上调 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素生物合成途径 | AtLCYB | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 干旱后表达上调 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素生物合成途径 | AtLut1 | ε-环羟化酶（CYP97C1） | 催化 | 编码叶黄素合成相关酶，干旱后表达低于野生型 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素生物合成途径（黄循环） | AtZEP | 玉米黄质环氧化酶 | 催化 | 干旱后表达上调 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素降解途径 | AtCCD1 | 类胡萝卜素裂解双加氧酶1 | 催化 | 干旱后表达上调 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素降解途径 | AtCCD4 | 类胡萝卜素裂解双加氧酶4 | 催化 | 干旱后表达上调 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | ABA合成途径 | AtNCED3 | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶3 | 催化 | ABA合成关键酶，干旱后表达升高，正常条件下降低 |
关键发现
- DcBCH1在干旱处理1 h后表达量升至初始水平的3.8倍
- 过表达DcBCH1的拟南芥在干旱胁迫后ABA含量为111–136 ng/g FW，野生型为98 ng/g FW
- 转基因植株中AtNCED3表达在干旱后升高1.2–3.8倍，正常条件下降至野生型的35–50%
- 转基因植株的SOD和POD活性显著高于野生型，MDA含量更低，O2-积累更少，存活率更高
- 转基因植株叶黄素和β-胡萝卜素含量低于野生型，而大部分内源类胡萝卜素合成基因（AtPSY、AtPDS、AtZDS、AtZISO、AtCRTISO、AtLCYE、AtLCYB、AtZEP、AtCCD1、AtCCD4）在干旱后表达显著上调。
研究结论
DcBCH1通过调节类胡萝卜素的合成速率增强植物抗氧化能力并促进内源ABA积累，从而正向调控植物抗旱性，为植物抗旱育种提供了重要候选基因。