Single genetic locus improvement of iron, zinc and β-carotene content in rice grains
- 作者
- Simrat Pal Singh, Wilhelm Gruissem, Navreet K. Bhullar
- 杂志
- Scientific Reports（2017）
- DOI
- 10.1038/s41598-017-07198-5
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
水稻胚乳缺乏铁、锌和β-胡萝卜素等必需微量营养素，导致全球范围“隐性饥饿”；需要同时提高多种微量营养素含量以应对铁、锌和维生素A缺乏症。
研究策略
将拟南芥AtNAS1（组成型CaMV 35S启动子）、菜豆PvFERRITIN（胚乳特异性OsGLOBULIN启动子）、玉米ZmPSY和细菌PaCRTI（胚乳特异性OsGLUTELIN1启动子）构建于单一T-DNA载体，通过农杆菌转化水稻，在单一遗传位点实现多基因共表达；同时将ZmPSY和PaCRTI转化到高铁NFP水稻中获得CP系。
研究路线图
核心内容
为应对全球范围内因水稻胚乳缺乏铁、锌和β-胡萝卜素导致的“隐性饥饿”问题，本研究构建了单一遗传位点同时强化多种微量营养素的水稻品系。研究者将拟南芥AtNAS1、菜豆PvFERRITIN、玉米ZmPSY和细菌PaCRTI四个基因组装于同一T-DNA载体，采用组成型与胚乳特异性启动子组合驱动表达，通过农杆菌转化获得共表达品系（NFCP系），并在高铁NFP亲本基础上转化类胡萝卜素基因获得CP系。结果显示，NFCP系抛光稻米铁含量最高达6.02 μg/g DW，较对照提高3.3倍，锌含量为24.9至29.7 μg/g DW，β-胡萝卜素含量达1.9至3.4 μg/g DW而对照为0；CP系在NFP背景下铁含量最高达9.1 μg/g DW，锌最高38.7 μg/g。其中NFCP18和NFCP22综合表现最佳。该结果表明，通过单一遗传位点多基因共表达可同时显著提升稻米中铁、锌和β-胡萝卜素含量，为利用生物强化策略应对多种微量营养素缺乏提供了概念验证，且有利于育种应用与监管审批。
创新点
1) 首次在单一遗传位点同时实现稻米胚乳中铁、锌和β-胡萝卜素的显著富集；2) 采用组成型和胚乳特异性启动子组合驱动多基因协同表达；3) 证明多营养强化可通过单个基因座方式结合，便于育种利用和监管审批。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻（Oryza sativa japonica cv. Nipponbare） | 铁锌吸收与转运（Strategy II，尼克烟酰胺/DMA合成） | AtNAS1 | 拟南芥尼克烟酰胺合酶1（AtNAS1） | 催化 | 组成型CaMV 35S启动子驱动，催化NA合成，促进铁锌吸收和转运 |
| 水稻（Oryza sativa japonica cv. Nipponbare） | 铁储存 | PvFERRITIN | 菜豆铁蛋白（PvFERRITIN） | 区室化 | 胚乳特异性OsGLOBULIN启动子驱动，铁蛋白复合物可储存多达4500个铁离子 |
| 水稻（Oryza sativa japonica cv. Nipponbare） | β-胡萝卜素生物合成 | ZmPSY | 玉米八氢番茄红素合酶（ZmPSY） | 催化 | 胚乳特异性OsGLUTELIN1启动子驱动，催化GGDP转化为八氢番茄红素 |
| 水稻（Oryza sativa japonica cv. Nipponbare） | β-胡萝卜素生物合成 | PaCRTI | 成团泛菌类胡萝卜素脱饱和酶（PaCRTI） | 催化 | 胚乳特异性OsGLUTELIN1启动子驱动，兼具脱饱和酶和环化酶功能，催化八氢番茄红素合成β-胡萝卜素 |
| 水稻NFP系（源自Nipponbare的高铁品系） | 植酸降解 | APHYTASE | 烟曲霉植酸酶（APHYTASE） | 催化 | 在NFP亲本中由OsGLUTELIN启动子表达，用于降低植酸含量，提高铁生物利用率 |
关键发现
- NFCP系抛光稻米铁含量最高达6.02 μg/g DW（较Nipponbare对照1.82 μg/g提高3.3倍），锌含量为24.9-29.7 μg/g DW（较对照23.2 μg/g提高1.07-1.28倍），β-胡萝卜素含量为1.9-3.4 μg/g DW（对照为0）
- CP系在NFP亲本基础上β-胡萝卜素含量为1.57-2.69 μg/g DW，铁含量最高9.1 μg/g DW（对照NFP为5.9 μg/g），锌含量最高38.7 μg/g（对照为32 μg/g）。铁蛋白复合物可储存多达4500个铁离子。NFCP18和NFCP22为综合表现最佳品系。
研究结论
通过单一遗传位点共表达AtNAS1、PvFERRITIN、ZmPSY和PaCRTI可同时提高水稻胚乳中铁、锌和β-胡萝卜素含量，为利用生物强化应对多种微量营养素缺乏提供了概念验证和可行策略。