skip to main content
Show Results with:

Mechanistic investigations of carotenoid and ketocarotenoid biosynthesis in rice

Full text available

  • Title:
    Mechanistic investigations of carotenoid and ketocarotenoid biosynthesis in rice
  • Author: Bai, Chao
  • Contributor: Christou, Paul ; Medina Piles, Vicente ; Zhu, Changfu ; Universitat De Lleida. Departament De Producció Vegetal I Ciència Forestal
  • Subjects: Arròs ; Mecanisme Carotenoides ; Arroz ; Mecanismo Carotenoides ; Rice ; Mechanism Carotenoids ; Bioquímica I Biologia Molecular ; 577
  • Language: English
  • Description: El meu programa de recerca està enfocat a identificar els passos limitants de la biosíntesi de carotenoids en arròs (Oryza sativa) de forma que mitjançant enginyeria genètica amb múltiples gens es puguin dividir els passos i elucidar el mecanisme de acumulació de la pro-vitamina A i dels carotenoids en arròs, un cereal molt important en alimentació. Per tal d’assolir el meus objectius, he generat varies línies transgèniques de arròs que expressen combinacions específiques de gens diferents. Las plantes transgèniques presenten perfils carotenogènics diferents en funció de la combinació dels gens integrats. Durant les meves investigacions he desenvolupat un experiment que facilita la caracterització funcional de gens que representen una ruta metabòlica en un sistema de calls embriogènics d’arròs. A mes, he descobert que variïs promotors específics de l’endosperma són molt actius en calls, tot i que la seva activitat tindria que ser restringida a la llavor. El sistema d’expressió en calls proporciona una oportunitat única per a predir l’impacte de la enginyeria genètica de rutes complexes i la seva quantificació, i es converteix en el punt d’inici per al disseny racional d’estratègies d’enginyeria de rutes biosintètiques complexes utilitzant biologia sintètica. També he identificat i caracteritzat un nou ketocarotenoid, el 4 keto-alfa–carotè, com un subproducte no esperat als experiments en els quals el meu objectiu era la biosíntesi d’astaxantina mitjançant la co-expressió de BrCRTW/sCrBKT, ZmPSY1 i PaCRTI en calls d’arròs. En un altre conjunt d’experiments he introduït la ruta biosintètica per a la producció de astaxantina en l’endosperma d’arròs. Amb les anàlisis que he dut a terme, he detectat una acumulació de cantaxantina i adonirubina, més que de astaxantina, essent aquests dos els carotenoids més abundants en l’endosperma d’arròs, la qual cosa suggereix l’existència de un pas limitant en la capacitat endògena de hidroxilació de l’endosperma d’arròs. La caracterització específica del metaboloma de l’endosperma d’arròs co-expressant combinacions binàries (ZmPSY1 i PaCRTI) o terciàries (ZmPSY1 i PaCRTI i AtDXS o AtOR) de gens demostra que la quantitat subministrada de precursors isoprenoics derivats de la ruta metabòlica MEP, o la creació de un sistema efectiu de retenció o de deposició de carotenoids son dos factors clau limitants de l’acumulació de carotenoids en l’endosperma d’arròs.
    My research project focused on the rice (Oryza sativa) carotenoid biosynthesis pathway. I used multigene engineering to identify and characterize bottlenecks in the pathway leading to β-carotene (pro-vitamin A) and other important carotenoids. I created transgenic lines expressing distinct combinations of transgenes and investigated the resulting diverse carotenoid profiles to determine how the integrated transgene complement influenced carotenoid production. I also developed a simple assay based on embryogenic rice callus for the functional characterization of carotenogenic transgenes. Remarkably, I discovered that diverse endosperm-specific promoters were highly active in callus tissue despite their restricted activity in mature plants. The callus system offers a unique opportunity to predict the impact of metabolic engineering in complex pathways and provides a starting point for quantitative modeling and the rational design of engineering strategies using synthetic biology. I identified and characterized the novel ketocarotenoid 4-keto-α-carotene as an unexpected byproduct during experiments targeting the biosynthesis of astaxanthin, which involved the co-expression of ZmPSY1, PaCRTI and two carotenoid ketolases (BrCRTW/sCrBKT) in rice callus. In separate experiments, I introduced the ketocarotenoid biosynthesis pathway to astaxanthin into rice endosperm. These transgenic lines accumulated canthaxanthin and adonirubin as major ketocarotenoids rather than astaxanthin, indicating the presence of a bottleneck caused by insufficient endogenous hydroxylation activity in rice endosperm tissue. Targeted metabolomics in rice endosperm co-expressing binary (ZmPSY1 and PaCRTI) or tertiary (ZmPSY1, PaCRTI and AtDXS or AtOR) transgene combinations demonstrated that carotenoid accumulation in rice endosperm is inhibited by the limited supply of isoprenoid precursors derived from the MEP pathway and/or the absence of an effective carotenoid sink.
    Mi programa de investigación está enfocado a identificar los pasos limitantes de la biosíntesis de carotenoides en arroz (Oryza sativa) de forma que mediante ingeniería genética con múltiples genes pueda dividir los pasos y elucidar el mecanismo de acumulación de la pro-vitamina A y de los carotenoides en arroz, un cereal muy importante en alimentación. Para conseguir mis objetivos, he generado diversas líneas transgénicas de arroz que expresan combinaciones específicas de genes diferentes. Las plantas transgénicas presentan perfiles diferentes en función de la combinación de genes integrados. Durante mis investigaciones he desarrollado un experimento que facilita la caracterización funcional de genes que de una ruta metabólica en un sistema de callos embriogénicos de arroz. Además he descubierto que varios promotores específicos del endospermo son muy activos en callos a pesar de que su actividad tendría que estar restringida a la semilla. El sistema de expresión en callos proporciona una oportunidad única para predecir el impacto de la ingeniería genética de rutas complejas y su cuantificación, y se convierte en el punto de inicio para el diseño racional de estrategias de ingeniería de rutas biosintéticas complejas utilizando biología sintética. También he identificado y caracterizado un ketocarotenoide nuevo, el 4 keto-alfa –caroteno, como un subproducto inesperado en los experimentos donde mi objetivo era la biosíntesis de astaxantina mediante la co-expresión de BrCRTW/sCrBKT, ZmPSY1 y PaCRTI en callos de arroz. En otro conjunto de experimentos he introducido la ruta biosintética para la producción de astaxantina en el endosperma de arroz. Con mis análisis he detectado una acumulación de cantaxantina y adonirubina, más que de astaxantina, siendo estos dos los carotenoides mas abundantes en el endosperma de arroz, lo cual sugiere la existencia de un paso limitante en la capacidad endógena de hidroxilación del endosperma de arroz. La caracterización específica del metaboloma del endosperma de arroz co-expresando combinaciones binarias (ZmPSY1 y PaCRTI) o terciarias (ZmPSY1 i PaCRTI y AtDXS o AtOR) de genes demuestra que la cantidad suministrada de precursores isoprenoicos derivados de la ruta metabólica MEP, o la creación de un sistema efectivo de retención o de deposición de carotenoides son dos factores clave limitantes de la acumulación de carotenoides en el endosperma de arroz.
  • Creation Date: 2014

Searching Remote Databases, Please Wait