植物番茄红素生物合成相关基因的表达调控研究进展

ZDS进行超量表达外 ,还可对促进番茄红素环化的酶 ,如
LCYb、LCYe进行抑制表达。而 RNA i作为一种简单、有效的
可代替基因敲除技术来抑制特定基因表达的有力遗传工具 ,
具有特异性 、稳定性 、高效 、快速以及不改变基因组的遗传组
成等特性 ,已成为功能基因组学强有力的研究手段。因此 ,
RNA i在番茄红素生物合成基因的调控研究方面会发挥越来
对许多植物的研究表明 , PDS 和 ZDS 基因的同源性达 33% ～35% ,系统分析上可将它们归为一类。 PDS 基因已从 番茄 [16 ] 、大豆 [18 ] 、烟草 [10 ] 等植物中分离出来 。 PDS对番茄 类胡萝卜素合成调控在叶 、花和果实中明显不同 [16] ,番茄果 实成熟时 , PDS 的表达增强 [19] 。Rodrigo等从成熟柑橘果实 中克隆了 PDS 和 ZDS 基因的部分和全长 cDNA 序列 ,发现 ZDS基因对柑橘果实中类胡萝卜素的积累起正调控作用 ,而 PDS 基因表达与果实形成时类胡萝卜素含量呈正相关 [20] 。 柑橘成熟果实中类胡萝卜素的积累是 PSY、PDS 和 ZDS 等基 因协同表达的结果 [9] 。 2. 5 LCY b和 LCY e LCYb和 LCYe是一类重要的环化酶 , 它们参与番茄红素的环化反应 ,形成带 β环和 ε环的类胡萝 卜素 ,这是植物类胡萝卜素生物合成途径中的关键分支点。 LCYb和 LCYe由单拷贝基因编码 ,其氨基酸序列同源性达 35% [21] ,均以线状、对称的番茄红素为底物。目前已从番 茄 [22 ] 、柑 橘 [9 ] 、拟 南 芥 [21 ] 等 植 物 中 分 离 出 编 码 LCYb 和 LCYe的基因。在番茄果实成熟期 , LCYb和 LCYe基因的表 达消失 [22] 。Rosati等将从番茄自身克隆到的番茄红素 β2环 化酶基因正义导入番茄植株 ,结果番茄果实中 β2胡萝卜素含 量增加 3. 8倍 ,但类胡萝卜素总量基本不变 [23] 。Dharmapuri 等将番茄红素 β2环化酶和 β2环羟化酶基因在果实特异启动
安徽农业科学 , Journal of Anhui Agri. Sci. 2009, 37 ( 33) : 16232 - 16233, 16242
责任编辑 张杨林 责任校对 张士敏
植物番茄红素生物合成相关基因的表达调控研究进展
邹礼平 ,高和平 ,钟亚琴 (孝感学院生命科学技术学院 ,湖北孝感 432000)
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37卷 33期 邹礼平等 植物番茄红素生物合成相关基因的表达调控研究进展
番茄红素是类胡萝卜素的一种 ,它也是类胡萝卜素生物 合成途径中的一个中间产物 ,故只有研究了类胡萝卜素的生 物合成才可了解番茄红素的合成途径。长期以来 ,人们对包 括番茄红素在内的类胡萝卜素的生物合成途径进行了不断 的探索 ,现已基本明确其合成途径 (图 1) [2 - 3] 。
番茄红素生物合成的前体是含有 5个碳的异戊二烯焦 磷酸 ( IPP) 。 IPP在 IPP异构酶 ( IPP I)的作用下异构化生成 二甲基丙烯焦磷酸 (DMAPP) ,然后在牻牛儿基牻牛儿基焦 磷酸合成酶 ( GGPS)的催化下 , DMAPP与 3个 IPP分子缩合 生成含有 20个碳的牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸 ( GGPP) 。 GG2 PP是许多物质生物合成的共同前体 ,如赤霉素、生育酚、叶
酶基因也已经克隆 ,这使运用基因工程手段调控番茄红素的
生物合成成为可能 。前人对类胡萝卜素生物合成基因的调
控研究主要集中在提高 β2胡萝卜素的含量上 ,采用的调控方 法主要是对八氢番茄红素合成酶和番茄红素 β2环化酶基因 进行超量表达 。如果调控研究的目的主要是提高番茄红素
的含量 ,则除了对促进番茄红素生物合成的酶 ,如 PSY、PDS、
图 1 番茄红素生物合成途径 F ig. 1 L ycopene b iosyn thetic pa thway
2 番茄红素生物合成途径中的关键酶及其基因调控 目前 ,对番茄红素生物合成一些关键酶及其基因调控 ,
许多学者都作过大量的研究 [2 - 4] 。 2. 1 IPP I IPP I催化 DMAPP形成 IPP,其基因已在拟南芥、 莴苣等植物中分离和鉴定出来 [4] 。在拟南芥中存在 IPP1和 IPP2共 2个 IPP异构酶基因。Sun等的研究表明 ,在大肠杆 菌中导入藻类 IPP异构酶基因 ,能增强类胡萝卜素的积累。 IPP I是否对植物类胡萝卜素合成起限速酶的作用还有待于 进一步研究 [ 5 ] 。 2. 2 GGPS GGPS是萜类物质合成的一个重氢番茄红素。已
基金项目 湖北省教育厅重点科研项目 (D200726002) 。 作者简介 邹礼平 ( 1967 - ) ,男 ,湖北汉川人 ,博士 ,副教授 ,从事植物
基因工程研究 。 收稿日期 2009207220
绿素中的植醇等 。 番茄红素生物合成的第一步是由八氢番茄红素合成酶
( PSY)催化 2个 GGPP分子聚合成具 40个碳原子的八氢番 茄红素。然后在八氢番茄红素脱氢酶 ( PDS)基因和 ζ2胡萝 卜素脱氢酶 ( ZDS)基因的作用下 ,八氢番茄红素形成粉红色 的番茄红素。番茄红素在番茄红素 β2环化酶 (LCYb)和 ε2环 化酶 (LCYe)的作用下进一步发生环化反应合成其他类胡萝 卜素 。
[3 ] 朱长甫 ,陈星 ,王英典. 植物类胡萝卜素生物合成及其相关基因在基因 工程中的应用 [J ]. 植物生理与分子生物学学报 , 2004, 30 (6) : 609 618.
子 PDS控制下转入番茄 ,结果转化体果实中 β2胡萝卜素和 玉米黄素含量显著增加 ,叶片的类胡萝卜素成分保持不
变 [24] 。Kato等的研究表明 ,在柑橘果实成熟时 , LCYb基因表 达增强 , LCYe基因表达消失 ,同时带 β环玉米黄素和堇菜黄
素大量增加 [ 9 ] 。
3 结语
目前植物番茄红素生物合成途径已经阐明 ,其中的关键
番茄红素 (Lycopene)是一种重要的类胡萝卜素。它广 泛存在于水果及蔬菜中 ,在番茄、杏、番石榴、西瓜、番木瓜、 红葡萄柚、红肉脐橙中均含有较多的番茄红素 ,其中尤以番 茄中的含量为最高。由于番茄红素分子中没有 β2芷香环的 结构 ,故其没有维生素 A原的功能 ,因此 ,长期以来人们一直 认为它不具有类胡萝卜素的生理活性。然而 ,最近的研究表 明 ,番茄红素的抗氧化性能是天然类胡萝卜素中最强的 ,它 独特的生理功能正越来越受到人们的重视 [1] 。科学证明 ,人 体内的单线态氧和氧自由基是侵害人体自身免疫系统的罪 魁祸首。而番茄红素可猝灭单线态氧 ,清除自由基 ,防止脂 质过氧化 ,保护机体免受伤害。它的抗氧化性优于其他类胡 萝卜素 ,猝灭单线态氧的速率常数是维生素 E的 100倍 ,是 β2胡萝卜素的 3倍多。番茄红素通过中和对体细胞有害的 自由基团 ,可以防止细胞的老化和病变 ,具有抗癌、防癌作 用 ,能消除香烟和汽车废气中的有毒物质 ,具有活化免疫细 胞的功能 。番茄红素对宫颈癌 、肺癌和乳腺癌有极强的抑制 作用 ,特别对前列腺癌的预防具有很好的效果 ,而 α2胡萝卜 素和 β2胡萝卜素则无此作用。因此 ,它越来越受到营养学界 和医学界的关注 ,被誉为“植物黄金 ”,美国《时代 》杂志将番 茄红素评为现代人十大保健食品之一 。笔者综述了植物番 茄红素生物合成途径中相关酶基因表达调控的最新研究进 展 ,旨在为更好地利用番茄红素提供科学借鉴。 1 番茄红素生物合成途径
摘要 对植物番茄红素生物合成途径中相关酶基因表达调控的最新研究进展进行了综述 ,并展望了其发展前景。 关键词 番茄红素 ;生物合成 ;基因调控 中图分类号 Q 946 文献标识码 A 文章编号 0517 - 6611 (2009) 33 - 16232 - 02
Research Advances in the Expression Regula tion of the Genes Rela ted w ith L ycopene B iosyn thesis in Plan ts ZO U L i2p ing et a l ( College of L ife Science and Technology, Xiaogan University, Xiaogan, Hubei 432000) Abstract The latest research advances in the gene exp ression regulation of the related enzymes in the lycopene biosynthesis in p lants were summarized. And the research foreground was p redicted. Key words Lycopene; B iosynthesis; Gene regulation
越重要的作用 。
参考文献
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[2 ] 王玉萍 ,刘庆昌 ,翟红. 植物类胡萝卜素生物合成相关基因的表达调控 及其在植物基因工程中的应用 [ J ]. 分子植物育种 , 2006, 4 (1) : 103 110.
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从拟南芥 [6] 、辣椒 [7] 等植物中分离出 GGPS 基因 。 Zhu等从 拟南芥中分离了 5个不同的 GGPS cDNA s和基因组克隆 ,其 中 2个具有 GGPS的活性 [6] 。 2. 3 PSY PSY催化 2分子的 GGPP形成无色的八氢番茄 红素 。目前已从番茄 [8] 、柑橘 [9] 、烟草 [10]等植物中克隆出了 编码 PSY的基因。大多数植物只表达单一的 PSY基因 ,但在 番茄、烟草、玉米和水稻等少数植物中存在 2个表达有差异 的 PSY基因 ,即 PSY1和 PSY2。B ram ley等的研究发现 , PSY1 和 PSY2分别催化番茄果实和叶片中八氢番茄红素的合 成 [11 - 12] 。Busch等的研究发现 ,在烟草早期类胡萝卜素合成 时 ,存在双功能的 PSY基因 : PSY1和 PSY2,这 2个基因在烟 草中过量表达导致烟草植株矮化 ,与对照相比 ,合成大量的 八氢番茄红素 [10] 。在 PSY 基因的调控方面 , B ram ley等将 PSY基因反义导入番茄 ,结果 GGPP积累而类胡萝卜素含量 大大下降 ,表明 PSY基因在番茄类胡萝卜素生物合成中起限 速作用 [11] 。Fray等将番茄 PSY基因正义导入番茄黄果突变 体 ,果实成熟时重新积累番茄红素 [13] 。 Fraser等在果实特异 性启动子控制下 ,将细菌八氢番茄红素合成酶基因 (C rtB )导 入番茄 ,发现番茄果实中总类胡萝卜素含量比对照提高了 2 ～4倍 ,其中八氢番茄红素、番茄红素和 β2胡萝卜素含量分 别比对照增加了 2. 4、1. 8、2. 2倍 [14] 。 2. 4 PD S和 ZD S PDS和 ZDS是植物番茄红素生物合成 中去饱和非常重要的一类酶。研究发现 , PDS是番茄红素合 成途径中的限速酶 [15] ,它也是许多除草剂的抑制剂 ,如哒草 伏和氟啶酮的结合位点。这些除草剂与 PDS结合后 , PDS的 催化活性受到抑制 ,叶绿素受到破坏 ,导致八氢番茄红素大 量积累。Giuliano等用 PDS抑制剂哒草伏处理番茄植株 ,结 果 PSY和 PDS 基因的表达增加了 [16] ;而拟南芥叶片用除草 剂处理后 , PDS 和 ZDS 基因的表达量却没有增加 [17] 。