高级醇 · 代谢工程文献库

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The BioCassava Plus Program: Biofortification of Cassava for Sub-Saharan Africa

作者
Richard Sayre, John R. Beeching, Edgar B. Cahoon, Chiedozie Egesi, Claude Fauquet, John Fellman, Martin Fregene, Wilhelm Gruissem, Sally Mallowa, Mark Manary, Bussie Maziya-Dixon, Ada Mbanaso, Daniel P. Schachtman, Dimuth Siritunga, Nigel Taylor, Herve Vanderschuren, Peng Zhang
单位
Donald Danforth Plant Science Center; Department of Biology and Biochemistry, University of Bath; Department of Biochemistry, University of Nebraska; National Root Crops Research Institute; Department of Horticulture, Washington State University; Swiss Federal Institute of Technology, ETH Zurich; Kenyan Agricultural Research Institute; International Institute for Tropical Agriculture; Department of Biology, University of Puerto Rico; Institute of Plant Physiology & Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences
杂志
Annual Review of Plant Biology（2011）
DOI
10.1146/annurev-arplant-042110-103751
所属领域
植物生物技术 / 代谢工程
关键词
Africamalnutritionplant biotechnology
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解决的核心问题

撒哈拉以南非洲以木薯为主食，但木薯块根缺乏铁、锌、维生素A和蛋白质，导致营养不良；同时木薯还含有有毒氰苷、货架期短、易受病毒病危害。

研究策略

利用转基因技术，在木薯中过表达或调控特定基因，提高微量营养素含量、降低氰苷、延长货架期和增强病毒抗性，并通过田间试验和经济效益分析验证可行性。

研究路线图

100%
核心问题：木薯主粮区营养不良，缺乏铁锌维A与蛋白质，且含氰苷、易病毒病
策略：转基因木薯代谢工程
关键改造：多种代谢工程基因组合
核心结果：多性状同步改良
结论：BC+项目证明转基因营养强化可行，具备推广价值
锌：ZAT过表达4倍↑，ZIP提高2-10倍
铁：FEA1表达后块根铁42ppm，对照10ppm
蛋白质：HNL提高3倍，zeolin达干重10-12.5%
类胡萝卜素：crtB+DXS共表达提高15-30倍，>50μg/gDW
抗病毒：RNAi沉默Rep，对ACMV免疫
货架期：AOX延迟PPD 3周，高β-胡萝卜素延长至4周
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核心内容

BioCassava Plus项目针对撒哈拉以南非洲木薯主食营养缺陷及氰苷毒性、采后变质和病毒病等问题，系统开展了转基因营养强化研究。研究以木薯品种60444为底盘，采用多基因组合代谢工程策略，对锌铁转运、类胡萝卜素合成、储存蛋白积累、氰苷降解和抗氧化等途径进行改造。结果显示，过表达ZAT和ZIP使块根锌含量分别提高4倍和2至10倍；表达FEA1使铁含量从约10 ppm升至42 ppm；过表达HNL使根蛋白提高3倍且linamarin降低80%；表达zeolin使块根蛋白达10%至12.5%干重。类胡萝卜素方面，单表达crtB提高10至20倍，共表达crtB和DXS则提高15至30倍且β-胡萝卜素占85%以上。表达AOX使采后生理变质延迟至多3周。该项目首次在尼日利亚开展转基因木薯限定田间试验，并在经济效益分析中显示维生素A单独强化的净效益预计达12至14亿美元。这些结果证明了通过多基因组合策略同步改良木薯多个营养和农艺性状的可行性，为后续产品推广奠定了基础。

创新点

首次在尼日利亚开展转基因木薯的限定田间试验；采用多种代谢工程策略组合（如FEA1、crtB+DXS、AOX等）；实现多个营养性状在木薯中的同时改良。

研究对象（11）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Manibot esculenta cv. 60444 锌离子转运 ZAT ZAT转运蛋白 转运 液泡膜锌转运蛋白，过表达使块根锌含量提高4倍
Manibot esculenta cv. 60444 锌离子转运 ZIP ZIP质膜锌转运蛋白 转运 过表达使块根锌含量提高2-10倍，但叶片锌含量降低
Manibot esculenta cv. 60444 铁吸收与储存 FEA1 FEA1铁同化蛋白 转运 来自莱茵衣藻，表达后6个月块根铁含量达42 ppm
Manibot esculenta cv. 60444 铁吸收与储存 Ferritin 铁蛋白 转运 铁储存蛋白，铁稳态相关，表达水平提高6倍
Manibot esculenta cv. 60444 氰苷代谢/氨基酸合成 HNL hydroxynitrile lyase 催化 根特异表达使总根蛋白提高3倍，根linamarin降低80%
Manibot esculenta cv. 60444 氰苷代谢 linamarase linamarase 催化 液泡靶向linamarase使根游离氨基酸平均增加60%，叶中降低25%
Manibot esculenta cv. 60444 储存蛋白积累 zeolin zeolin嵌合蛋白 区室化 在ER中形成蛋白体，使块根总蛋白达10%-12.5%干重，约提高4倍，linamarin降低约45%
Manibot esculenta cv. 60444 类胡萝卜素生物合成 crtB 细菌八氢番茄红素合成酶 催化 单表达时总类胡萝卜素提高10-20倍，最高25 μg/g DW
Manibot esculenta cv. 60444 类胡萝卜素生物合成 DXS 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 催化 与crtB共表达使类胡萝卜素提高15-30倍，>50 μg/g DW，β-胡萝卜素占85%-90%
Manibot esculenta cv. 60444 线粒体呼吸链/抗氧化 AOX 交替氧化酶（alternative oxidase） 能量供给 过表达减少ROS积累，使采后生理变质(PPD)延迟最多3周
Manibot esculenta cv. 60444 病毒抗性 ACMV Rep Rep复制相关蛋白 调控 通过RNAi沉默Rep，使易感品种对ACMV免疫

关键发现

  1. 典型木薯餐仅满足每日铁、锌需求量的30%，维生素A的10%
  2. 过表达ZAT使块根锌含量提高4倍，过表达ZIP使锌含量提高2-10倍
  3. 表达FEA1后6个月块根铁含量达42 ppm（对照约10 ppm）
  4. 过表达HNL使总根蛋白提高3倍，根linamarin降低80%
  5. 表达zeolin使块根总蛋白达到10%-12.5%干重，约提高4倍
  6. 单表达crtB使类胡萝卜素提高10-20倍（最高25 μg/g DW），共表达crtB和DXS提高15-30倍（>50 μg/g DW），β-胡萝卜素占85%-90%
  7. 过表达AOX使采后生理变质(PPD)延迟最多3周
  8. 高β-胡萝卜素(40 ppm)的转基因木薯货架期延长至4周
  9. RNAi沉默Rep使木薯对ACMV免疫
  10. 在尼日利亚，单独维生素A强化的净效益预计12-14亿美元，维生素A和铁联合强化为14-16亿美元，成本效益每DALY节省4-5美元。

研究结论

BC+项目证明了通过转基因策略实现木薯营养强化的概念可行性，在多个性状上获得显著效果，并完成了田间试验和经济效益分析，为后续产品开发和推广奠定了基础。