ニンジン(Daucus carota)における2つのζ-カロテンデサチュラーゼパラログの役割の違い。ZDS1 は、植物の発生とカロテノイド合成に不可欠な機能性遺伝子です

Differential role of the two ζ-carotene desaturase paralogs in carrot (Daucus carota): ZDS1 is a functional gene essential for plant development and carotenoid synthesis.

• Carlos Flores-Ortiz
• Lilia M Alvarez
• Alejandro Undurraga
• Daniela Arias
• Felipe Durán
• Guillermo Wegener
• Claudia Stange

抄録

カロタ（Daucus carota）は、食用貯蔵根を発達させるビエンナーレ作物である。世界で最も消費量の多い品種であるオレンジニンジンは、二次成長時に貯蔵根にβ-カロテンとα-カロテンを高濃度に蓄積します。β-カロテン合成に関与する遺伝子がニンジンで同定されており、ほとんどの種とは異なり、D. carotaは、ZDS1とZDS2と名付けられた2つのζ-カロテンデサチュラーゼ遺伝子を有しており、それらのコーディング領域において91.3%の同一性を共有しています。ZDS1の発現は葉の発達中に低下するが、根の発達中には低下しないが、ZDS2は成熟した植物の葉と貯蔵根で誘導される。本研究では、転写後遺伝子サイレンシングを用いて、ZDS1がニンジンの初期発生に必須であることを明らかにした。RNAiによるZDS1遺伝子の発現抑制により、ZDS2遺伝子とPSY2遺伝子の転写レベルが低下し、葉と貯蔵根のカロテノイド含量が減少した。逆に、ZDS2の転写産物の量が減少したトランスジェニック系統は、内因性のZDS1とPSY2の発現レベルとカロテノイドのプロファイルを野生型植物と同じレベルに維持しています。ZDS1とZDS2の同時サイレンシングは、内因性PSY2発現を有意に低下させただけでなく、葉および根の発達を無視できるレベルに抑えた系統をもたらした。さらに、ZDS1:GFPの細胞内局在化や、ニンジンZDS1を過剰発現させたトランスジェニックタバコ植物におけるカロテノイド含量の増加などの機能解析から、ZDS1が機能的な酵素をコード化していることが確認された。これらの結果から、ニンジンの主なζ-カロテンデサチュラーゼ活性はZDS1遺伝子によってコードされており、ZDS2遺伝子は相補的で非本質的な役割を果たしていることが示唆された。

Daucus carota is a biennale crop that develops an edible storage root. Orange carrots, the most consumed cultivar worldwide, accumulate high levels of β-carotene and α-carotene in the storage root during secondary growth. Genes involved in β-carotene synthesis have been identified in carrots and unlike most species, D. carota has two ζ-carotene desaturase genes, named ZDS1 and ZDS2, that share 91.3 % identity in their coding regions. ZDS1 expression falls during leaf, but not root development, while ZDS2 is induced in leaves and storage roots of a mature plant. In this work, by means of post-transcriptional gene silencing, we determined that ZDS1 is essential for initial carrot development. The suppression of the expression of this gene by RNAi triggered a reduction in the transcript levels of ZDS2 and PSY2 genes, with a concomitant decrease in the carotenoid content in both, leaves and storage roots. On the contrary, transgenic lines with reduced ZDS2 transcript abundance maintain the same levels of expression of endogenous ZDS1 and PSY2 and carotenoid profile as wild-type plants. The simultaneous silencing of ZDS1 and ZDS2 resulted in lines with a negligible leaf and root development, as well as significantly lower endogenous PSY2 expression. Further functional analyses, such as a plastidial subcellular localization of ZDS1:GFP and the increment in carotenoid content in transgenic tobacco plants overexpressing the carrot ZDS1, confirmed that ZDS1 codifies for a functional enzyme. Overall, these results lead us to propose that the main ζ-carotene desaturase activity in carrot is encoded by the ZDS1 gene and ZDS2 gene has a complementary and non essential role.

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