黄瓜紫黄质脱环氧化酶相似基因（CsVDL）参与抗强光逆境胁迫的功能分析

Cucumber is one of the most important thermophilic horticultural crop worldwide, but it is prone to photo-damage and decrease yield under high light stress during summer growing season. The xanthophyll cycle is an important mechanism to protect the plants from photoinhibition by dissipating excessively absorbed light as heat, via violaxanthin de-epoxidase (VDE) catalyze the conversion of violaxanthin (V) to zeaxanthin (Z), and pervious study proved the function for of neoxanthin in protection against photooxidative stress by reactive oxygen species. At the same time, these carotenoids are precursors of ABA biosynthesis. Based on our study of Cucumber VDE gene, the violaxanthin de-epoxidase-like (CsVDL) gene was found belong to the VDE family in plants. We cloned CsVDL and analyzed its function in Arabidopsis heterogenous expression system, we further focus on the molecular mechanism and function of CsVDL gene in carotenoids biosynthesis from violaxanthin to neoxanthin. The methods of histochemical analysis, subcellular localization analysis and promoter deletion region analysis response for light will be used, and the functional analysis will be operate in cucumber homologous expression system for further understanding the molecular mechanism of CsVDL in carotenoids biosynthesis and high light stress response, and the mechanisms of cucumber self-protection from photo-damage.

黄瓜是世界上最重要的喜温园艺作物之一，但是在生产中常受到强光胁迫而抑制生长、降低产量。由紫黄质脱环氧化酶（VDE）催化紫黄质（V）转化为玉米黄质（Z）的叶黄素循环使植物耗散掉多余的光能而免受强光破坏，此外，已有研究表明新黄质参与清除光氧化胁迫中的活性氧，具有保护植物抵抗强光胁迫的功能，同时，这些类胡萝卜素是植物中重要的ABA合成前体物质。我们在前期VDE研究的基础上发现了黄瓜中存在同属于VDE家族的黄瓜紫黄质脫环氧化酶相似基因（CsVDL）。在对CsVDL基因克隆和拟南芥异源表达系统中功能初步研究基础上，本项目拟通过进一步对其进行亚细胞及组化定位分析，启动子光响应区域分析，黄瓜同源表达系统中功能分析等，重点研究CsVDL基因参与类胡萝卜素合成途径中紫黄质向新黄质的转变和对强光逆境的响应，以明确该基因参与抗强光逆境胁迫的生理分子机制，为进一步研究黄瓜抗强光逆境研究提供新的理论依据。

黄瓜作为重要的蔬菜作为在生产中常受到夏季强光胁迫而抑制生长、降低产量。在植物防御光抑制破坏过程中紫黄质脱环氧化酶（VDE）可以催化叶黄素循环将过剩的光能转变成热能耗散掉，从而起到重要的保护作用。在这一过程中类胡萝卜素的合成代谢即与光能的吸收和电子传递相关，又能够以非辐射的方式耗散过剩的光能，来保护叶绿体免受破坏。本研究深入对黄瓜中与紫黄质脱环氧化酶（VDE）具有相似蛋白蛋白结构域的紫黄质脱环氧化酶相似基因（CsVDL）进行了表达、定位和功能分析。通过序列分析和进化树分析显示VDL具有与VDE相似的蛋白二级结构，但不含有VDE中的谷氨酸富集区域。进化树分析显示CsVDL与拟南芥、甜瓜中的VDL基因同源关系较近。亚细胞定位分析显示CsVDL定位于叶绿体中，组化定位分析表明CsVDL基因启动子驱动GUS的表达主要在绿色组织中。进一步通过不同CsVDL启动子缺失片段驱动GUS表达筛选到其启动子中关键的正调控元件为W-box、AAGAA-motif及GATA-motif等，关键负调控元件为AuxRR-core、chs-CMAla元件等，为进一步阐明CsVDL基因分子调控网络奠定了基础。对CsVDL基因时空表达分析显示该基因在植物叶片中表达量最高，并随着叶片发育表达量在源叶中最高，在库叶中较低，符合叶片发育过程中光合调控源库关系特征。在拟南芥突变体中强光处理后其NPQ明显降低，但随后差异缩小，推测由于VDL与VDE具有相似的蛋白结构域，可能具有部分功能冗余现象。同时，通过高效液相色谱分析显示拟南芥突变体中玉米黄质含量降低，推测通过其参与调控类胡萝卜素合成途径而调控植物抗强光逆境胁迫响应。对过表达及抑制表达CsVDL基因的黄瓜转基因株系分析发现转基因株系中新黄质与紫黄质比值发生变化，推测该基因在紫黄质到新黄质转化过程中起关键作用。进一步验证了CsVDL基因通过参与类胡萝卜素合成代谢途径影响植物抗强光逆境的分子生理机制。该研究丰富了对植物中强光逆境胁迫调控的认知，为培育黄瓜抗逆新品种提供了新的思路。