A Tetratricopeptide Repeat Protein Regulates Carotenoid Biosynthesis and Chromoplast Development in Monkeyflower (Mimulus)

First author: Lauren E Stanley; Affiliations: University of Connecticut (康涅狄格大学): Storrs, USA

Corresponding author: Yao-Wu Yuan

Little is known about the factors regulating carotenoid biosynthesis in flowers. Here, we characterize the Reduced Carotenoid Pigmentation 2 (RCP2) locus from two monkeyflower (Mimulus) species, the bumblebee-pollinated M. lewisii and hummingbird-pollinated M. verbenaceus. We show that loss-of-function mutations of RCP2 cause drastic down-regulation of the entire carotenoid biosynthetic pathway. We have identified the causal gene underlying RCP2, encoding a tetratricopeptide repeat (TPR) protein that is closely related to the Arabidopsis Reduced Chloroplast Coverage (REC) proteins. RCP2 appears to regulate carotenoid biosynthesis independently of RCP1, a previously identified R2R3-MYB master regulator of carotenoid biosynthesis. We show that RCP2 is necessary and sufficient for chromoplast development and carotenoid accumulation in floral tissues. Simultaneous down-regulation of RCP2 and two closely related paralogs, RCP2-L1 and RCP2-L2, produces pale leaves deficient in chlorophyll and carotenoid content and with reduced chloroplast compartment size. Finally, we demonstrate that M. verbenaceus is just as amenable to chemical mutagenesis and in planta transformation as the more extensively studied M. lewisii, making these two species an excellent platform for comparative developmental genetics studies of closely related species with dramatic phenotypic divergence.

目前，我们对于花中调控类胡萝卜素合成的分子机制了解不多。本文中，作者从两个猴面花物种（一个是由熊蜂授粉的Mimulus lewisii，另一个是由蜂鸟授粉的Mimulus verbenaceus）中鉴定到了一个作用于类胡萝卜素色素减少的位点RCP2。作者发现RCP2的功能缺失突变体会导致整个类胡萝卜素生物合成通路的剧烈下调。作者鉴定到了RCP2位点所编码的基因，是一个编码四肽重复TPR蛋白的基因，与拟南芥的REC蛋白近缘。RCP2蛋白能够独立于RCP1发挥调控类胡萝卜素生物合成的作用，其中RCP1蛋白是作者在2015年鉴定到的一个调控类胡萝卜素合成的主要调控因子，属于R2R3-MYB转录因子（Sagawa et al., 2015, New Phytologist）。作者发现RCP2对于花组织中的质体发育以及类胡萝卜素积累是必要且充分的。同时下调RCP2以及两个旁系同源基因RCP2-L1和RCP2-L2的表达，能够获得白色的叶片，其中叶绿素和类胡萝卜素含量存在缺陷，且叶绿体的区室明显减小。最终，作者揭示了M. verbenaceus具有与M. lewisii一样便于化学诱变以及遗传转化，使得这对物种成为了具有明显表型分化的近缘物种比较发育遗传研究的理想平台。

p.s. 植物中的色素主要有三类：类黄酮（flavonoid）、甜菜素（betalain）和类胡萝卜素（carotenoid）。其中，甜菜素仅在石竹目（Caryophyllale）中有发现，而另外两种则在植物界广泛分布。其中，以类黄酮的研究最为深入，其也具有最广的颜色范围。类黄酮色素中的花青素（anthocyanin）在胞质中合成，定位于液泡，并且是水溶性，具有从橙色到蓝色的颜色跨度，作用于许多植物花器官的颜色色素沉着。而类胡萝卜素则是具有多烯链的类异戊二烯化合物（主要为C40），主要颜色为淡黄色或从橙色到红色。类胡萝卜素在植物中具有非常重要的作用，参与植物的色素沉着、光保护以及脱落酸和独脚金内酯的合成，同时对于人类的日常饮食、营养和健康也非常重要。

通讯：袁耀武 (https://monkeyflower.uconn.edu)

个人简介：2000-2004年，四川大学，学士；2004-2008年，华盛顿大学，博士；2009-2010年，佐治亚大学，博士后。

研究方向：以猴面花对象研究花的多样化，从而窥探植物的表型演化。

doi: https://doi.org/10.1105/tpc.19.00755

Journal: Plant Cell

Published date: March 04, 2020

p.s. 相关研究链接

Current Biology：猴面花花瓣斑点形成的分子机制

Plant Cell：PC推荐～WP1调控苜蓿花瓣中的类胡萝卜素积累