Engineering ketocarotenoid biosynthesis in potato tubers
- 作者
- Wayne L. Morris, Laurence J.M. Ducreux, Paul D. Fraser, Steve Millam, Mark A. Taylor
- 单位
- Scottish Crop Research Institute, Invergowrie, Dundee, DD2 5DA, UK; School of Biological Sciences, Royal Holloway, University of London, Egham, Surrey TW20 OEX, UK; Gene Expression, Scottish Crop Research Institute, Invergowrie, Dundee, DD2 5DA, UK
- 杂志
- Metabolic Engineering（2006）
- DOI
- 10.1016/j.ymben.2006.01.001
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在植物储存器官（马铃薯块茎）中实现营养显著水平的虾青素等酮类胡萝卜素积累，此前尚未有在植物储存器官中达到营养水平虾青素的报道。
研究策略
利用农杆菌介导转化，在马铃薯中表达雨生红球藻的β-胡萝卜素酮醇酶基因bkt1（受patatin启动子驱动、融合番茄PDS转运肽），并在S. tuberosum Desiree中通过共转化引入欧文氏菌八氢番茄红素合酶基因crtB以增强底物供应。
研究路线图
核心内容
本研究利用农杆菌介导转化，在马铃薯块茎中表达了源自雨生红球藻的β-胡萝卜素酮醇酶基因bkt1，该基因受patatin启动子驱动并融合番茄PDS转运肽以实现质体靶向。在Solanum phureja cv Mayan Gold中，块茎内非酯化虾青素最高达到13.9 μg/g干重，酮类胡萝卜素占总类胡萝卜素的65–70%，且未积累中间酮类胡萝卜素产物，主要产物为ketolutein和astaxanthin。然而在S. tuberosum cv Desiree中，酮类胡萝卜素水平仅为Mayan Gold的约5%，共转化欧文氏菌crtB基因以增加底物供应并未显著提高产量。bkt1表达导致lutein完全消失、zeaxanthin大幅下降，同时内源PSY转录水平下降约4倍、β-胡萝卜素羟化酶转录水平降至野生型的50%。结果表明马铃薯块茎可被工程化储存营养水平的虾青素，且与烟草和番茄不同，酮类胡萝卜素合成途径在块茎中无中间产物积累，这一策略有望为马铃薯作为主食来源提供营养强化。
创新点
首次在马铃薯块茎中实现酮类胡萝卜素积累；检测到主要产物为ketolutein和astaxanthin，且无中间酮类胡萝卜素产物积累；发现马铃薯中非酯化酮类胡萝卜素比例高（至少70%）；采用共转化策略快速堆叠转基因。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Solanum tuberosum cv Desiree | 类胡萝卜素生物合成 | bkt1 | β-胡萝卜素酮醇酶（BKT1） | 催化 | 来自雨生红球藻，受patatin启动子驱动，融合番茄PDS转运肽 |
| Solanum phureja cv Mayan Gold | 类胡萝卜素生物合成 | bkt1 | β-胡萝卜素酮醇酶（BKT1） | 催化 | 来自雨生红球藻，受patatin启动子驱动，融合番茄PDS转运肽 |
| Solanum tuberosum cv Desiree | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | 八氢番茄红素合酶（CRTB） | 催化 | 来自欧文氏菌Erwinia uredovora，共转化时引入以增强底物供应 |
| Solanum tuberosum cv Desiree / Solanum phureja cv Mayan Gold | 类胡萝卜素生物合成 | psy | 八氢番茄红素合酶（PSY） | 催化 | 内源基因，Mayan Gold中表达水平较高，bkt1转基因株系中表达下调 |
| Solanum tuberosum cv Desiree / Solanum phureja cv Mayan Gold | 类胡萝卜素生物合成 | BCH | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 内源基因，与BKT1协同催化虾青素合成，Desiree中转录水平约为Mayan Gold的2倍 |
| Solanum tuberosum cv Desiree / Solanum phureja cv Mayan Gold | 类胡萝卜素生物合成 | PDS转运肽 | 质体靶向转运肽 | 区室化 | 来自番茄八氢番茄红素脱氢酶，融合至BKT1使其定位于质体 |
关键发现
- 在S. phureja cv Mayan Gold表达bkt1的块茎中，非酯化虾青素最高约14 μg/g DW（MGbkt1-1为13.9±0.5 μg/g DW），酮类胡萝卜素占总类胡萝卜素的65-70%
- S. tuberosum cv Desiree中酮类胡萝卜素水平约为S. phureja的5%
- 共转化crtB+bkt1未显著提高酮类胡萝卜素含量（如DescrtBb-3总酮类胡萝卜素为1.1±0.1 μg/g DW）
- bkt1表达导致lutein完全消失、zeaxanthin大幅下降
- Mayan Gold bkt1转基因株系中内源PSY转录水平下降约4倍、β-胡萝卜素羟化酶转录水平约为野生型的50%
- 共转化效率为4/300外植体（1.3%）。
研究结论
马铃薯块茎可以被工程化储存虾青素，且与烟草/番茄不同，无酮类胡萝卜素中间产物积累；虾青素最高达13.9 μg/g DW虽低于藻类，但足以改变薯肉颜色，且马铃薯作为主食具有营养意义。