Biofortified tomatoes provide a new route to vitamin D sufficiency
- 作者
- Jie Li, Aurelia Scarano, Nestor Mora Gonzalez, Fabio D'Orso, Yajuan Yue, Krisztian Nemeth, Gerhard Saalbach, Lionel Hill, Carlo de Oliveira Martins, Rolando Moran, Angelo Santino, Cathie Martin
- 杂志
- Nature Plants（2022）
- DOI
- 10.1038/s41477-022-01154-6
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
全球约十亿人面临维生素D不足，植物是维生素D的极差来源，需要开发植物基的维生素D3生物强化食品。
研究策略
利用CRISPR-Cas9基因组编辑技术敲除番茄中Sl7-DR2基因（编码7-脱氢胆固醇还原酶2），阻断7-脱氢胆固醇（7-DHC）向胆固醇的转化，使番茄果实和叶片中积累维生素D3前体7-DHC，并通过UVB照射将7-DHC转化为维生素D3。
核心内容
该研究利用CRISPR-Cas9基因组编辑技术靶向敲除番茄中的Sl7-DR2基因（编码7-脱氢胆固醇还原酶2），阻断7-脱氢胆固醇向胆固醇的转化，从而在番茄果实和叶片中积累维生素D3前体7-DHC。经UVB照射1小时，叶片中7-DHC可转化为维生素D3，产量接近200 μg/g干重；绿色果实和红色果实中维生素D3产量分别达0.3和0.2 μg/g干重。一个中等大小番茄的维生素D3含量可满足每日推荐摄入量的20%至30%，相当于两个鸡蛋或28克金枪鱼。敲除Sl7-DR2不影响植物生长、发育和产量，且未检测到脱靶编辑。该策略还使番茄叶片这一废弃生物质成为生产植物源维生素D3补充剂的潜在来源，为素食者和植物性饮食人群提供了一条不依赖动物来源的维生素D生物强化新途径。
创新点
['首次在番茄果实中通过基因组编辑实现维生素D3前体7-DHC的显著积累', '敲除Sl7-DR2不影响植物生长、发育和产量，避免了对植物甾醇和油菜素甾醇代谢的干扰', '证明番茄Sl7-DR2敲除株系的叶片可作为废弃生物质生产植物源维生素D3补充剂', '提出与其他等位基因（如y突变）叠加提高UVB转化效率的策略']
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） | 甾醇生物合成/胆固醇合成/甾体生物碱（SGA）合成 | Sl7-DR2（Solyc06g074090） | 7-脱氢胆固醇还原酶2 | 催化 | 通过CRISPR-Cas9敲除该基因，阻断7-DHC转化为胆固醇，积累维生素D3前体 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 植物甾醇生物合成 | Sl7-DR1 | 7-脱氢胆固醇还原酶1 | 催化 | 与Sl7-DR2同源，但在该研究中未检测到脱靶编辑，保留正常功能 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 甾醇生物合成/胆固醇合成 | SlC5-SD1 | 甾醇C-5(6)脱饱和酶1 | 催化 | 在Sl7-DR2敲除株系中转录水平约降低30%，可能参与代谢补偿 |
关键发现
- 敲除Sl7-DR2后，7-DHC在叶片中含量显著升高，UVB照射1小时可将叶片中7-DHC转化为维生素D3，产量接近200 μg/g干重
- 绿色果实中维生素D3产量达0.3 μg/g干重，红色果实达0.2 μg/g干重。一个中等大小番茄中的维生素D3含量相当于两个中等大小鸡蛋或28 g金枪鱼，可满足每日推荐摄入量的20%（绿色果实）至30%（红色果实）。α-番茄碱和esculeoside A等甾体生物碱含量显著降低，而胆固醇水平在果实和叶片中有所升高。未检测到Sl7-DR1的脱靶编辑。
研究结论
通过靶向敲除Sl7-DR2基因，成功实现了番茄果实和叶片中维生素D3前体7-DHC的积累，为植物基维生素D3生物强化食品和利用番茄废弃叶片生产维生素D3补充剂提供了新途径，尤其适合素食者和植物性饮食人群。