Engineering of tomato for the sustainable production of ketocarotenoids and its evaluation in aquaculture feed
- 作者
- Marilise Nogueira, Eugenia M. A. Enfissia, Maria E. Martinez Valenzuela, Guillaume N. Menard, Richard L. Drillerb, Peter J. Eastmond, Wolfgang Schuchb, Gerhard Sandmannd, Paul D. Frasera
- 单位
- 伦敦大学皇家霍洛威学院生物科学学院，英国埃格姆；智利FRAUNHOFER研究所，智利圣地亚哥；洛桑研究所植物科学部，英国哈彭登；法兰克福歌德大学分子生物科学学院生物合成组，德国法兰克福
- 杂志
- PNAS（2017）
- DOI
- 10.1073/pnas.1708349114
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
化学合成酮类胡萝卜素依赖化石燃料、成本高、环境负担大且产物立体异构体不纯，亟需开发可持续、低成本、安全可再生的植物基生产平台，并验证其在水产养殖饲料中的实际应用效果。
研究策略
将Brevundimonas sp.的β-胡萝卜素羟化酶基因CrtZ和酮化酶基因CrtW导入番茄果实，并通过与含Solanum galapagense来源的高表达番茄红素β-环化酶（β-Cyc）等位基因的品系杂交，增强β-胡萝卜素前体供应，从而实现酮类胡萝卜素在番茄果实中的高效积累；随后开展规模化种植和虹鳟鱼养殖试验，评估其作为饲料添加剂的性能。
核心内容
该研究通过代谢工程改造番茄，建立了可持续生产高价值酮类胡萝卜素的植物基平台，并验证了其在水产饲料中的实际应用潜力。研究者将来源于Brevundimonas sp.的β-胡萝卜素羟化酶基因CrtZ和酮化酶基因CrtW导入番茄果实，同时与携带Solanum galapagense来源的高表达番茄红素β-环化酶等位基因的品系杂交，以增强β-胡萝卜素前体供应，突破了合成瓶颈。最终番茄果实中酮类胡萝卜素总量达3.0 mg/g干重，较对照品系提高约40倍，其中phoenicoxanthin约占45%，canthaxanthin约占35%。在低投入网室种植条件下，每公顷可收获约23 kg着色酮类胡萝卜素。淡水养殖试验中，番茄基饲料的酮类胡萝卜素在鳟鱼鱼片中的保留率达61%，而商业合成饲料仅为27%，其中astaxanthin保留率高达158%；商业饲料组鱼粪中酮类胡萝卜素含量是番茄组的7倍，表明合成饲料吸收利用率更低。生产成本约为150美元/公斤，较化学合成降低约10倍。该研究为酮类胡萝卜素的可再生生产提供了经济和环境效益兼具的新范式。
创新点
1. 在番茄果实中实现了迄今植物中最高水平的酮类胡萝卜素积累（3.0 mg/g干重）；2. 利用野生番茄天然等位基因杂交策略增强前体供应，突破了合成瓶颈；3. 首次在实际淡水/咸水养殖试验中证明番茄基饲料的酮类胡萝卜素在鱼片中的保留率优于商业合成饲料（淡水试验中超过两倍）；4. 建立了无需有机溶剂提取的低成本加工流程，生产成本较化学合成降低约10倍。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素合成途径 | CrtZ | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 来自Brevundimonas sp.，催化β-胡萝卜素的3位羟基化，形成虾青素等酮类胡萝卜素中间产物 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素合成途径 | CrtW | β-胡萝卜素酮化酶 | 催化 | 来自Brevundimonas sp.，催化β-胡萝卜素的4位酮化，与CrtZ协同生成酮类胡萝卜素 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素合成途径 | β-Cyc | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 来自Solanum galapagense，促进番茄红素环化生成β-胡萝卜素，增强酮类胡萝卜素前体供应 |
关键发现
- 番茄果实中酮类胡萝卜素总量达3.0 mg/g干重，较对照品系ZWRIβ（约70 μg/g干重）提高约40倍；其中phoenicoxanthin（含游离和酯化形式）约占45%，canthaxanthin约占35%，phoenicoxanthin主要以C14:0和C16:0脂肪酸酯形式存在且为S立体异构体。
- 在低投入的简易防虫网室种植条件下，每公顷可产约12吨番茄，折算每公顷可收获约23 kg着色酮类胡萝卜素（astaxanthin、phoenicoxanthin和canthaxanthin）。
- 淡水养殖试验中，ZWRI番茄饲料的着色酮类胡萝卜素在鳟鱼鱼片中的保留率为61%，而商业合成饲料为27%，提升超过2倍；其中astaxanthin保留率达158%，phoenicoxanthin为127%。咸水试验中ZWRI番茄饲料保留率为26%，商业饲料为16%。
- 商业饲料处理组鳟鱼粪便中着色酮类胡萝卜素含量是ZWRI番茄组的7倍。
- 生产每公斤着色酮类胡萝卜素的成本约为150美元，而合成饲料成本为1000-2000美元/公斤，成本降低约10倍。
研究结论
通过代谢工程改造番茄能够可持续、规模化地产出高价值酮类胡萝卜素，其作为水产养殖饲料添加剂在着色效果和鱼片中的保留率上优于化学合成产品，且具有良好的经济与环境效益，为可再生生产高值化学品提供了新范式。