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多国科研人员联合解析植物叶绿体向有色体转化的机制
日期:2020-09-28 作者:未知 来源:Plant Biotechnology Journal 点击:
 类胡萝卜素是一类重要的天然色素,也是生物体内维生素 A 的主要来源,作为植物营养素具有促进生物健康的特性,使其成为生物强化的理想目标。有色体是一种特化的质体,能够储存大量的类胡萝卜素和其他色素,为植物提供黄色至红色范围的颜色。调控有色体的分化是改善果蔬及粮食作物营养的非常有前途的策略。然而,迄今为止,只有非常少的有色体发育诱导剂被发现。橙色(Orange,OR)分子伴侣是其中表现最突出的,但它们仅在某些组织中起作用,其促进有色体分化的具体机制仍不清楚。因此,实现有色体分化的基础研究和生物技术应用都需要对调控有色体分化过程的分子机制有更好的了解。
    2020年8月19日,PNAS 在线发表了西班牙,法国,德国,澳大利亚四国学者合作的题为“Synthetic conversion of leaf chloroplasts into carotenoid-rich plastids reveals mechanistic basis of natural chromoplast development”的研究论文。该研究发现了有色体发育的机制,并实现在不产生有色
体的组织中人工诱导有色体的产生。
    有色体可以由白色体和叶绿体转化而来,在许多植物的花朵和果实的发育过程中,叶绿体会转化为有色体,但是只在少数几种植物的叶片中,叶绿体会转化为有色体。叶绿体到有色体的分化过程中最显着的变化是内部质体结构的重组,光合作用能力的丧失和类胡萝卜素色素的大量积累。内部质体结构的重塑产生不仅增加了代谢物沉积容纳能力,也促进了类胡萝卜素的生物合成。
    类胡萝卜素合成途径的第一步是茄红素的合成,作者发现在例如生菜叶片,西葫芦的果实超表达细菌中负责茄红素合成的 crtB 可以诱导叶绿体向有色体转变,当靶向的只在质体中表达 crtB 酶时,仅仅触发叶绿体向有色体的转化。进一步研究发现诱导有色体合成后会对核基因的表达以及初生代谢产生巨大的影响。而且,叶绿体中茄红素的积累会干扰光合作用,从而诱导了叶绿体向有色体的转换。
    该研究首次发现只需要代谢诱因(例如足够的茄红素的积累)就能诱导有色体的分化发育。在植物自然生长过程中,发育因素调控叶绿体成分及类胡萝卜素生物合成,这一过程产生的信号,通过重新编码核基因表达和全细胞代谢来控叶绿体向有色体的分化。该研究除了成功地解决了植物生物学中一个长期存在的问题,也开发出一种强大的生物技术工具,即诱导叶绿体向有色体按需分化的非常简单和直接的系统,也是迄今为止在每一种测试植物中均能很好运行的系统。
    当植物的光合作用是不必要的时候(例如,在收获之前),利用该系统提高有色体和类胡萝卜素的含量,可以提高果蔬菜,饲料作物和粮食作物的营养质量。
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