南京农业大学联合中国农科院蔬菜花卉研究所证实DcBCH1在胡萝卜肉质根中起主要的羟化作用

胡萝卜（Daucus carota L.）是一种重要的伞形科根菜类蔬菜作物，其肉质根由于积累的色素类型与含量不同而呈现橙、黄、红、白、紫等颜色。胡萝卜肉质根中类胡萝卜素的含量和组成是影响其肉质根营养价值和外观品质的重要因素。因此，探索胡萝卜类胡萝卜素代谢机制对胡萝卜种质创新和遗传育种具有重要的意义。

类胡萝卜素主要包括不含氧的碳氢化合物胡萝卜素（Carotenes）和含氧衍生叶黄素（Xanthophylls）两大类。胡萝卜素羟化酶是含氧衍生叶黄素合成的关键酶，可催化胡萝卜素的羟化产生不同类型的含氧衍生叶黄素。植物中胡萝卜素羟化酶有两种不同的类型，非血红素二铁加氧酶（Non-heme-di-iron类型）（BCH，又称BHY、HYD或HYb）和含血红素的细胞色素P450加氧酶（Heme-containing cytochrome P450类型）（CYP97A、CYP97B和CYP97C）。系统发育分析表明，在单子叶植物和双子叶植物分化后，高等植物中发生了BCH基因的复制事件（Gene duplication events）。

2022年8月，Horticulture Research 上线了（Advance Access）南京农业大学熊爱生教授团队联合中国农科院蔬菜花卉研究所庄飞云团队题为Differential hydroxylation efficiency of the two non-heme carotene hydroxylases: DcBCH1, rather than DcBCH2, plays a major role in carrot taproot 的研究论文。

从胡萝卜基因组中获得注释的2个BCH编码基因。已有研究表明不同物种中重复基因编码的BCH在功能上冗余或具有差异，而胡萝卜中2个BCH基因的功能以及重复基因编码的BCH之间的关系尚不清楚。本研究首先对胡萝卜2个BCH编码基因（DcBCH1和DcBCH2）在类胡萝卜素含量差异明显的2个胡萝卜材料肉质根中进行了定量分析，发现DcBCH1的表达水平在不同材料肉质根中均远高于DcBCH2。亚细胞定位分析显示DcBCH1和DcBCH2均定位于质体（叶绿体）上。在积累大量类胡萝卜素的橙色胡萝卜中分别过表达DcBCH1和DcBCH2，观察到过表达DcBCH1的胡萝卜肉质根颜色由橙色变为黄色，肉质根中α-胡萝卜素和β-胡萝卜素的含量显著减少；过表达DcBCH2的胡萝卜肉质根颜色与对照胡萝卜相比没有明显变化，肉质根中α-胡萝卜素含量有一定程度的减少，而β-胡萝卜素含量变化不明显（图1）。进一步利用CRISPR/Cas9 介导的基因编辑系统对橙色胡萝卜中的DcBCH1进行靶向敲除，DcBCH1敲除的突变体胡萝卜肉质根颜色变浅（橙色变为粉橙色），肉质根中α-胡萝卜素略高于对照胡萝卜，β-胡萝卜素含量显著低于对照胡萝卜（图1），DcBCH2的相对表达水平提高了约6~7倍。上述结果表明胡萝卜肉质根中DcBCH1起主要的羟化作用。该结果为胡萝卜类胡萝卜素的代谢机制研究做出了补充，为胡萝卜分子进化与遗传育种提供了理论基础。

南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室，园艺学院蔬菜学国家重点学科的博士研究生李彤和刘洁霞为论文共同第一作者，熊爱生教授为论文通讯作者，中国农科院蔬菜花卉研究所胡萝卜研究团队庄飞云研究员参与了部分工作。该研究得到了国家自然科学基金（31872098和32072563）项目和江苏高校优势学科建设项目（PAPD）的资助。

作者团队介绍

南京农业大学园艺学院伞形科蔬菜作物种质创新实验室熊爱生教授团队隶属于南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室、蔬菜学国家重点学科。课题组主要围绕伞形科重要蔬菜作物胡萝卜和芹菜开展相关基础和应用研究，主要研究方向包括伞形科蔬菜作物遗传育种、分子生物学和基因组研究、重要农艺性状功能基因的发掘和验证等。

文章链接：

https://doi.org/10.1093/hr/uhac193

转自：“园艺研究”微信公众号

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