Tomato (Lycopersicon esculentum Mill. cv Ailsa Craig) fruit, at five stages of development, have been analyzed for their carotenoid and chlorophyll (Chl) contents, in vitro activities of phytoene synthase, phytoene desaturase, and lycopene cyclase, as well as expression of the phytoene synthase (Psy) and phytoene desaturase (Pds) genes. During ripening, the total carotenoids increased with a concomitant decrease in Chl. Although the highest carotenoid content (consisting mainly of lycopene and [beta]-carotene) was found in ripe fruit, the greatest carotenogenic enzymic activities were found in green fruit. Phytoene synthase was located in the plastid stroma, whereas the metabolism of phytoene was associated with plastid membranes during all stages of fruit development. The in vitro products of phytoene desaturation altered from being predominantly phytofluence and [zeta]-carotene in chloroplasts to becoming mainly lycopene in chromoplasts. The expression of Psy was detected in breaker and ripe fruit, as well as flowers, but was not detectable by northern blot analysis in leaves or green fruits. The Pds gene transcript was barely detectable in green fruit and leaves but was expressed in flowers and breaker fruit. These results suggest that transcription of Psy and Pds is regulated developmentally, with expression being considerably elevated in chromoplast-containing tissues. Antiserum to the Synechococcus phytoene synthase cross-reacted with phytoene synthase of green fruit only on western blots and not with the enzyme from ripe fruit. In contrast, a monoclonal antibody to the Psy gene product only cross-reacted with phytoene synthase from ripe fruit. The enzymes from green and ripe fruit had different molecular masses of 42 and 38 kD, respectively. The absence of detectable Psy and Pds mRNA in green tissues using northern blot analyses, despite high levels of phytoene synthase and desaturase activity, lends support to the hypothesis of divergent genes encoding these enzymes.

Tomatoes are a principal dietary source of carotenoids and flavonoids, both of which are highly beneficial for human health. Overexpression of genes encoding biosynthetic enzymes or transcription factors have resulted in tomatoes with improved carotenoid or flavonoid content, but never with both. We attempted to increase tomato fruit nutritional value by suppressing an endogenous photomorphogenesis regulatory gene, DET1, using fruit-specific promoters combined with RNA interference (RNAi) technology. Molecular analysis indicated that DET1 transcripts were indeed specifically degraded in transgenic fruits. Both carotenoid and flavonoid contents were increased significantly, whereas other parameters of fruit quality were largely unchanged. These results demonstrate that manipulation of a plant regulatory gene can simultaneously influence the production of several phytonutrients generated from independent biosynthetic pathways, and provide a novel example of the use of organ-specific gene silencing to improve the nutritional value of plant-derived products.

Phytoene synthase from the bacterium Erwinia uredovora ( crt B) has been overexpressed in tomato ( Lycopersicon esculentum Mill. cv. Ailsa Craig). Fruit-specific expression was achieved by using the tomato polygalacturonase promoter, and the CRTB protein was targeted to the chromoplast by the tomato phytoene synthase-1 transit sequence. Total fruit carotenoids of primary transformants (T 0 ) were 2–4-fold higher than the controls, whereas phytoene, lycopene, β-carotene, and lutein levels were increased 2.4-, 1.8-, and 2.2-fold, respectively. The biosynthetically related isoprenoids, tocopherols plastoquinone and ubiquinone, were unaffected by changes in carotenoid levels. The progeny (T 1 and T 2 generations) inherited both the transgene and phenotype. Determination of enzyme activity and Western blot analysis revealed that the CRTB protein was plastid-located and catalytically active, with 5–10-fold elevations in total phytoene synthase activity. Metabolic control analysis suggests that the presence of an additional phytoene synthase reduces the regulatory effect of this step over the carotenoid pathway. The activities of other enzymes in the pathway (isopentenyl diphosphate isomerase, geranylgeranyl diphosphate synthase, and incorporation of isopentenyl diphosphate into phytoene) were not significantly altered by the presence of the bacterial phytoene synthase.

The application of high-performance liquid chromatography (HPLC) using a C30 reverse-phase stationary matrix has enabled the simultaneous separation of carotenes, xanthophylls, ubiquinones, tocopherols and plastoquinones in a single chromatogram. Continuous photodiode array (PDA) detection ensured identification and quantification of compounds upon elution. Applications of the method to the characterization of transgenic and mutant tomato varieties with altered isoprenoid content, biochemical screening of Arabidopsis thaliana, and elucidation of the modes of action of bleaching herbicides are described to illustrate the versatility of the procedure.

Abstract Cryptochromes are blue light photoreceptors found in plants, bacteria, and animals. In Arabidopsis, cryptochrome 2 (cry2) is involved primarily in the control of flowering time and in photomorphogenesis under low-fluence light. No data on the function of cry2 are available in plants, apart from Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). Expression of the tomato (Solanum lycopersicum) CRY2 gene was altered through a combination of transgenic overexpression and virus-induced gene silencing. Tomato CRY2 overexpressors show phenotypes similar to but distinct from their Arabidopsis counterparts (hypocotyl and internode shortening under both low- and high-fluence blue light), but also several novel ones, including a high-pigment phenotype, resulting in overproduction of anthocyanins and chlorophyll in leaves and of flavonoids and lycopene in fruits. The accumulation of lycopene in fruits is accompanied by the decreased expression of lycopene β-cyclase genes. CRY2 overexpression causes an unexpected delay in flowering, observed under both short- and long-day conditions, and an increased outgrowth of axillary branches. Virus-induced gene silencing of CRY2 results in a reversion of leaf anthocyanin accumulation, of internode shortening, and of late flowering in CRY2-overexpressing plants, whereas in wild-type plants it causes a minor internode elongation.

Abstract Fruit ripening in tomato (Solanum lycopersicum) requires the coordination of both developmental cues as well as the plant hormone ethylene. Although the role of ethylene in mediating climacteric ripening has been established, knowledge regarding the developmental regulators that modulate the involvement of ethylene in tomato fruit ripening is still lacking. Here, we show that the tomato APETALA2a (AP2a) transcription factor regulates fruit ripening via regulation of ethylene biosynthesis and signaling. RNA interference (RNAi)-mediated repression of AP2a resulted in alterations in fruit shape, orange ripe fruits, and altered carotenoid accumulation. Microarray expression analyses of the ripe AP2 RNAi fruits showed altered expression of genes involved in various metabolic pathways, such as the phenylpropanoid and carotenoid pathways, as well as in hormone synthesis and perception. Genes involved in chromoplast differentiation and other ripening-associated processes were also differentially expressed, but softening and ethylene biosynthesis occurred in the transgenic plants. Ripening regulators RIPENING-INHIBITOR, NON-RIPENING, and COLORLESS NON-RIPENING (CNR) function upstream of AP2a and positively regulate its expression. In the pericarp of AP2 RNAi fruits, mRNA levels of CNR were elevated, indicating that AP2a and CNR are part of a negative feedback loop in the regulation of ripening. Moreover, we demonstrated that CNR binds to the promoter of AP2a in vitro.

Abstract In tomato (Solanum lycopersicum), phytoene synthase-1 (PSY-1) is the key biosynthetic enzyme responsible for the synthesis of fruit carotenoids. To further our understanding of carotenoid formation in tomato fruit, we characterized the effect of constitutive expression of an additional tomato Psy-1 gene product. A quantitative data set defining levels of carotenoid/isoprenoid gene expression, enzyme activities, and metabolites was generated from fruit that showed the greatest perturbation in carotenoid content. Transcriptional upregulation, resulting in increased enzyme activities and metabolites, occurred only in the case of Psy-1, Psy-2, and lycopene cyclase B. For reactions involving 1-deoxy-d-xylulose5-phosphate synthase, geranylgeranyl diphosphate synthase, phytoene desaturase, ζ-carotene desaturase, carotene isomerase, and lycopene β-cyclase, there were no correlations between gene expression, enzyme activities, and metabolites. Perturbations in carotenoid composition were associated with changes in plastid type and with chromoplast-like structures arising prematurely during fruit development. The levels of >120 known metabolites were determined. Comparison with the wild type illustrated that key metabolites (sucrose, glucose/fructose, and Glu) and sectors of intermediary metabolism (e.g., trichloroacetic acid cycle intermediates and fatty acids) in the Psy-1 transgenic mature green fruit resembled changes in metabolism associated with fruit ripening. General fruit developmental and ripening properties, such as ethylene production and fruit firmness, were unaffected. Therefore, it appears that the changes to pigmentation, plastid type, and metabolism associated with Psy-1 overexpression are not connected with the ripening process.

Inventors in the field of mechanical and electronic engineering can access multitudes of components and, thanks to standardization, parts from different manufacturers can be used in combination with each other. The introduction of BioBrick standards for the assembly of characterized DNA sequences was a landmark in microbial engineering, shaping the field of synthetic biology. Here, we describe a standard for Type IIS restriction endonuclease-mediated assembly, defining a common syntax of 12 fusion sites to enable the facile assembly of eukaryotic transcriptional units. This standard has been developed and agreed by representatives and leaders of the international plant science and synthetic biology communities, including inventors, developers and adopters of Type IIS cloning methods. Our vision is of an extensive catalogue of standardized, characterized DNA parts that will accelerate plant bioengineering.