Carotenoid biosynthesis in flowering plants
- 作者
- Joseph Hirschberg
- 单位
- Department of Genetics, The Alexander Silberman Life Science Institute, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem, 91904 Israel
- 杂志
- Current Opinion in Plant Biology（2001）
- DOI
- 10.1016/S1369-5266(00)00163-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
综述开花植物中类胡萝卜素生物合成途径的分子机制、基因克隆策略、调控机制以及通过代谢工程改良作物类胡萝卜素含量的可能性。
研究策略
综合运用遗传学（突变体、图位克隆、转座子标签）、分子生物学（基因克隆、异源表达互补）、基因组学和基因工程方法，系统研究类胡萝卜素合成酶的功能和调控。
核心内容
这篇综述系统总结了开花植物类胡萝卜素生物合成途径的分子机制与代谢工程应用进展。作者综合运用突变体遗传分析、图位克隆、转座子标签和异源互补等策略，鉴定了合成途径中各关键酶基因，并阐明了其表达调控规律。研究发现，番茄果实破色期Psy和Pds基因的mRNA水平可升高10至20倍，表明转录调控在果实成熟过程中发挥核心作用。代谢工程实践取得了显著成果：在油菜种子中特异表达细菌crtB基因使类胡萝卜素含量提高约50倍，达到1600微克每克鲜重；番茄中表达细菌crtI使β-胡萝卜素提高3倍但总类胡萝卜素减半，而表达内源Lcy-b则提升3.8倍且效果更优；“金色大米”通过三个基因共表达使胚乳中类胡萝卜素达到1.6微克每克，300克大米可满足每日推荐摄入量的10%至20%；烟草花蜜组织表达藻类crtO成功积累天然构型虾青素并使花色变红。该综述表明，类胡萝卜素合成途径框架已基本阐明，通过基因工程改良作物营养品质切实可行，但酶在质体内的定位、蛋白复合体形成以及更精细的调控策略仍需深入研究。
创新点
总结了多种克隆类胡萝卜素基因的策略，包括 color complementation 技术、转座子标签等；报道了代谢工程改造作物类胡萝卜素含量的突破性成果，如金色大米和金色油菜。
研究对象（18）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 大肠杆菌 | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 来自欧文氏菌，用于 color complementation 基因克隆 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | Psy-1 | 八氢番茄红素合酶 1 | 催化 | 果实和花特异性表达，是类胡萝卜素合成的限速酶 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | Psy-2 | 八氢番茄红素合酶 2 | 催化 | 在绿色组织中表达 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | Pds | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 在果实破色期表达上调 10-20 倍 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | Lcy-b | 番茄红素 β-环化酶 | 催化 | 将番茄红素环化生成 β-胡萝卜素，在果实成熟期表达下调 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | Lcy-e | 番茄红素 ε-环化酶 | 催化 | 与 Lcy-b 共同合成 α-胡萝卜素，Delta 突变导致其表达升高 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | Cyc-b | 质体特异性番茄红素环化酶 | 催化 | Beta 突变体果实中表达升高，参与 β-胡萝卜素合成 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | tangerine | 类胡萝卜素异构酶（推定） | 催化 | 参与 poly-cis 番茄红素的异构化，基因属于 carotene 脱氢酶家族 |
| 拟南芥 | MEP 途径 | DXS | 1-脱氧木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | chs5 突变体表型显示其在叶发育早期有重要作用 |
| 拟南芥 | 叶黄素循环 | Vde | 紫黄质脱环氧化酶 | 催化 | npq1 突变体缺乏此酶，对强光敏感 |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素生物合成 | Zep1 | 玉米黄质环氧化酶 | 催化 | 参与 ABA 合成 |
| 辣椒 | 类胡萝卜素生物合成 | Ccs | 辣椒红素-辣椒玉红素合酶 | 催化 | y 位点突变导致黄色果实表型 |
| 水稻 | β-胡萝卜素生物合成 | Psy | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 来自水仙，用于金色大米工程 |
| 水稻 | β-胡萝卜素生物合成 | Lcy-b | 番茄红素 β-环化酶 | 催化 | 来自水仙，用于金色大米工程 |
| 水稻 | β-胡萝卜素生物合成 | crtI | 细菌八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 来自细菌，用于金色大米工程，使胚乳积累 β-胡萝卜素 |
| 油菜 | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 种子特异表达，类胡萝卜素提高约 50 倍达 1600 μg/g |
| 烟草 | 酮类胡萝卜素合成 | crtO | β-C-4-加氧酶 | 催化 | 来自雨生红球藻，在花蜜组织中产生虾青素 |
| 烟草 | 类胡萝卜素生物合成 | Zep1 | 玉米黄质环氧化酶 | 催化 | 来自烟草 (Nicotiana plumbaginifolia)，通过转座子标签克隆 |
关键发现
- 番茄果实破色期 Psy 和 Pds 的 mRNA 水平升高 10-20 倍；在油菜种子中特异表达细菌 crtB 使类胡萝卜素含量提高约 50 倍，达到 1600 μg/g 鲜重；番茄果实表达细菌 crtI 使 β-胡萝卜素提高 3 倍，但总类胡萝卜素减半；表达番茄自身的 Lcy-b 使 β-胡萝卜素提高
- 8 倍；表达 Cyc-b 进一步提高；金色大米中三个基因共表达使胚乳中类胡萝卜素最高达
- 6 μg/g，300 g 大米可提供每日推荐摄入量的 10-20%；烟草花蜜组织表达藻类 crtO 使花色变红并积累虾青素，且与天然 3S,3'S 构型一致；拟南芥 npg1 突变体因 Vde 缺失而缺乏叶黄素循环，对强光敏感。
研究结论
类胡萝卜素生物合成途径的基本框架已阐明，但酶在质体内的定位、蛋白复合体、酶水平调控、与其他代谢途径的互作以及基因表达调控的分子机制仍需进一步研究；利用基因工程提高作物类胡萝卜素含量以改善营养是可行的，但仍需更精细的调控策略。