また、de novoトランスクリプトーム解析により、暗成長したニンジンの貯蔵根のカロテノイド合成には、光知覚遺伝子が必要であることが明らかになった

A de novo transcriptome analysis revealed that photomorphogenic genes are required for carotenoid synthesis in the dark-grown carrot taproot.

• Daniela Arias
• Jonathan Maldonado
• Herman Silva
• Claudia Stange

抄録

カロテノイドは、すべての光合成生物と一部の非光合成生物によって合成されるテルペノイド色素です。植物では、これらの親油性化合物は、光合成、光保護、植物ホルモン合成に関与しています。植物では、カロテノイドの生合成は、フィトクロム（PHY）などの光受容体を含むいくつかの環境因子によって誘導され、フィトクロム相互作用因子（PIF）によってネガティブに制御されている。ダウカス・カロタ（ニンジン）は、暗闇の中で成長する貯蔵根でカロテノイドを合成し、蓄積する数少ない植物種の一つである。他の植物とは異なり、光は二次根の成長とカロテノイドの蓄積を抑制することから、光によって抑制される新しいメカニズムが存在することが示唆されている。本研究では、暗闇で誘導され、光によって抑制されるカロテノイド合成とニンジンの根の発達を制御する遺伝子を同定するために、暗闇で成長したニンジンの根と光で成長したニンジンの根を用いてRNA-Seq解析を行った。その結果、63,164個のコンティグからなるde novoトランスクリプトームモデルが得られ、その中から18,488個の遺伝子が2つの実験条件で異なる発現を示した（DEG）。興味深いことに、光制御遺伝子は暗生根で好んで発現していることがわかった。DEGs遺伝子を用いたGO項の濃縮解析、トランスクリプトームモデルの検証、qPCRによるDEG解析により、PHYA, PHYB, PIF3, PAR1, CRY2, FYH3, FAR1, COP1などの光形態形成や光知覚に関与する遺伝子が、カロテノイドの合成やニンジン貯蔵根の発育に関与しているという仮説を立てることができた。

Carotenoids are terpenoid pigments synthesized by all photosynthetic and some non-photosynthetic organisms. In plants, these lipophilic compounds are involved in photosynthesis, photoprotection, and phytohormone synthesis. In plants, carotenoid biosynthesis is induced by several environmental factors such as light including photoreceptors, such as phytochromes (PHYs) and negatively regulated by phytochrome interacting factors (PIFs). Daucus carota (carrot) is one of the few plant species that synthesize and accumulate carotenoids in the storage root that grows in darkness. Contrary to other plants, light inhibits secondary root growth and carotenoid accumulation suggesting the existence of new mechanisms repressed by light that regulate both processes. To identify genes induced by dark and repressed by light that regulate carotenoid synthesis and carrot root development, in this work an RNA-Seq analysis was performed from dark- and light-grown carrot roots. Using this high-throughput sequencing methodology, a de novo transcriptome model with 63,164 contigs was obtained, from which 18,488 were differentially expressed (DEG) between the two experimental conditions. Interestingly, light-regulated genes are preferably expressed in dark-grown roots. Enrichment analysis of GO terms with DEGs genes, validation of the transcriptome model and DEG analysis through qPCR allow us to hypothesize that genes involved in photomorphogenesis and light perception such as PHYA, PHYB, PIF3, PAR1, CRY2, FYH3, FAR1 and COP1 participate in the synthesis of carotenoids and carrot storage root development.