معرفي فايتويين سنتاز بعنوان يك ژن محدود كننده در بيان كاروتنوييدها در برگ ذرت (Zea mays)

PSY is a rate-limiting enzyme in carotenoid biosynthesis pathway in maize (Zea mays) leaves

سابقه و هدف: كاروتنوييدها يكي از فراوانترين رنگدانه ها در طبيعت بوده و اهميت زيادي در رژيم غذايي انسان و دام دارند. بنابراين افزايش ميزان كاروتنوييدها در گياهان، بخصوص در غلات كه غذاي اصلي انسان و دام را تشكيل مي دهند، مي تواند اهميت فوق العاده اي در افزايش عملكرد و ارزش غذايي گياه داشته باشد. از ميان آنزيمهايي كه در مسير سنتز كاروتنوييدها دخيل هستند، فايتويين سنتاز بعنوان يك آنزيم كليدي شناخته شده است. تاكنون سه نوع آنزيم فايتويين سنتاز در ذرت كشف شده است، با اين حال، تحقيقات نشان داده اند كه همه ي اين آنزيمها فعاليت يكساني در تمام بافتها ندارند. اينكه آيا با وجود سه نوع آنزيم فايتويين سنتاز، افزايش بيان اين آنزيم مي تواند مسير سنتز كاروتنوييدها را در جهت افزايش توليد آنها در گياه تغيير دهد، تا حدود زيادي ناشناخته است. مواد و روش ها: كشت بافت و انتقال ژن با استفاده از روش ابداع شده توسط احمدآبادي و همكاران انجام گرفت (1). براي استخراج DNA از برگهاي ذرت، از روش Doyle و Doyle استفاده شد (5). براي تاييد حضور ژنهاي خارجي انتقال يافته به گياهان تراريخت باززا شده، واكنش PCR با استفاده از جفت پرايمرهاي اختصاصي انجام گرفت. آناليز محتواي رنگدانه هاي استخراج شده از گياهان تراريخت با روش HPLC انجام گرفت. يافته ها: در اين تحقيق، ما از طريق بيان يك ژن فايتويين سنتاز خارجي در گياه ذرت، نشان داديم كه اين گياه پتانسيل بسيار بالايي براي افزايش ميزان كاروتنوييدها از طريق بيان ژن فايتويين سنتاز دارد و بنابراين، ژن فايتويين سنتاز در گياه ذرت بعنوان يك ژن محدود كننده در مسير سنتز كاروتنوييدها محسوب مي شود. گياهان تراريخت بدست آمده، از نظر رشد، تكامل و عملكرد كاملا مشابه گياهان غير تراريخت بودند، در حالي كه سطح عمومي كاروتنوييدها بطور معني داري افزايش نشان داد. در اين ميان، بتا-كاروتن كه پيش ماده ويتامين A مي باشد، به ميزان قابل توجهي افزايش نشان داد. نتيجه گيري: اين نتايج نشان مي دهند كه ذرت پتانسيل بالايي در افزايش ميزان كاروتنوييدها، بويژه بتا-كاروتن دارد كه اين ويژگي در برنامه هاي اصلاحي ذرت در جهت بهبود ارزش غذايي اين محصول حايز اهميت است.

Aim and Background: Carotenoids are one of the most abundant pigments in nature and an essential compound of photosynthesis apparatus. In addition, carotenoids play a significant role in human and animal diet, because they are precursors for vitamin A and act as antioxidants. Thus, increasing carotenoid levels in plants, especially cereals as the main food for human and animals, could have a dramatic impact on improving plant yield and nutritional value. Among several enzymes involved in carotenoid biosynthesis pathway, PSY has been known as a key enzyme. So far, three PSY genes have been identified in maize; however, all related enzymes do not show similar activity in all tissues. Considering existing of three PSY genes, whether over-expression of this enzyme can still increase carotenoid biosynthesis levels in maize, is largely unknown. Materials and Methods: Tissue culture and transformation was carried out using the method developed by Ahmadabadi et al. (1). Total DNA was extracted from maize leaves according to Doyle&Doyle method (5). To confirm transgene presence in regenerated transgenic plants, PCR reaction was performed using specific primers. Pigment content of transgenic plants was analyzed by HPLC method. Results: In this study, through expression of a foreign PSY gene in maize, we showed that maize include a high potential to increase carotenoid levels via over-expression of PSY, and thus, the PSY gene is a rate-limiting enzyme in carotenoid biosynthesis pathway in maize. It should be mentioned that transgenic plants were similar to wild-type plants in terms of growth, development and yield, while the general carotenoid levels was significantly increased. In particle, the level of beta-carotene as a precursor of vitamin A was improved considerably. Conclusion: Our results show that maize has a high potential for increasing carotenoid levels, especially beta-carotene, that can have a significant role in maize breeding programs in order to improve its nutritional value without any negative effect on yield quantity.