Understanding carotenoid metabolism as a necessity for genetic engineering of crop plants
- 作者
- Gerhard Sandmann, Susanne Römer, Paul D. Fraser
- 单位
- Molecular Biosciences 213, P.O. Box 111932, J. W. Goethe Universität, D-60054 Frankfurt, Germany; Institute of Botany, University of Kiel, Olshausenstrasse 40, D-24098 Kiel, Germany; School of Biological Sciences, Royal Holloway, University of London, Egham, Surrey TW20 OEX, UK
- 杂志
- Metabolic Engineering（2006）
- DOI
- 10.1016/j.ymben.2006.01.005
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
对类胡萝卜素生物合成及其调控机制理解不足，导致作物基因工程中出现多种非预期表型，限制了定向改造。
研究策略
综述类胡萝卜素生物合成途径、调控机制及代谢工程成功案例，结合转基因植物的表型变化分析，揭示途径调控节点和设计原则。
研究路线图
核心内容
该综述系统梳理了类胡萝卜素生物合成途径及其在作物代谢工程中的应用策略，重点分析了途径关键调控节点与工程设计原则。通过比较多个物种中过量表达、共抑制和反义抑制等策略的转基因表型，研究揭示了八氢番茄红素合成酶、番茄红素环化酶分支点以及光信号转导等全局调控机制在决定类胡萝卜素产量和组成中的核心作用。代表性结果表明，拟南芥种子中特异过表达内源Psy可使β-胡萝卜素含量提高43倍，但伴随萌发延迟和ABA升高；马铃薯块茎中抑制Zep基因使玉米黄质含量提升137倍达40 μg/g DW；而油菜种子表达细菌crtB后β-胡萝卜素高达1180 μg/g DW，为野生型的314倍。Golden Rice II通过胚乳特异表达水仙Psy和细菌crtI获得89 μg/g DW的β-胡萝卜素，300克大米即可满足每日维生素A需求。这些发现表明，类胡萝卜素代谢工程需协调途径内多个限速步骤，结合组织特异性表达和调控因子操纵，方能在避免非预期表型的同时实现高效积累。
创新点
系统总结了类胡萝卜素途径的调控机制与工程策略，提出光信号转导操纵等全局调控方法，并展示了基于非直系同源基因和种子特异性启动子的成功案例，如Golden Rice II。
研究对象（26）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄、拟南芥、水稻、油菜等 | 类胡萝卜素生物合成 | Psy | 八氢番茄红素合成酶 | 催化 | 限速酶，在多种作物中过表达可提高类胡萝卜素含量 |
| 番茄、辣椒等 | 类胡萝卜素生物合成 | Pds | 八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 催化15-顺式八氢番茄红素脱饱和，与质体醌偶联 |
| 番茄、龙胆等 | 类胡萝卜素生物合成 | Zds | ζ-胡萝卜素脱饱和酶 | 催化 | 催化ζ-胡萝卜素脱饱和生成多顺式番茄红素 |
| 拟南芥、番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | crtISO | 类胡萝卜素异构酶 | 催化 | 催化四顺式番茄红素异构化为全反式番茄红素 |
| 番茄、龙胆、万寿菊等 | 类胡萝卜素生物合成 | Lcy-e | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 形成α-胡萝卜素分支 |
| 番茄、水稻等 | 类胡萝卜素生物合成 | Lcy-b | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 形成β-胡萝卜素，过表达可提高β-胡萝卜素含量 |
| 番茄、辣椒等 | 类胡萝卜素生物合成 | Bhy | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 催化β-胡萝卜素C-3和C-3'羟基化生成玉米黄质 |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素生物合成 | LUT1 | 细胞色素P450型ε-环羟化酶 | 催化 | 催化α-胡萝卜素ε-环羟化生成叶黄素 |
| 马铃薯、番茄等 | 类胡萝卜素生物合成 | Zep | 玉米黄质环氧酶 | 催化 | 催化玉米黄质环氧化为紫黄质 |
| 莴苣等 | 类胡萝卜素生物合成 | Vde | 紫黄质脱环氧酶 | 催化 | 催化紫黄质脱环氧回玉米黄质（叶黄素循环） |
| 马铃薯、番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | Nsy | 新黄质合成酶 | 催化 | 催化紫黄质转化为新黄质 |
| 拟南芥 | 甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径 | Dxs | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 质体异戊二烯途径的限速酶 |
| 龙胆、拟南芥等 | 萜类前体合成 | Ggps | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶 | 催化 | 提供类胡萝卜素和多种萜类共同前体GGPP |
| 番茄、烟草、水稻等 | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | 细菌八氢番茄红素脱饱和酶（来自欧文氏菌） | 催化 | 导入植物可提高β-胡萝卜素含量，但总类胡萝卜素可能降低 |
| 油菜、番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | 细菌八氢番茄红素合成酶（来自欧文氏菌） | 催化 | 油菜种子过表达后β-胡萝卜素提高314倍 |
| 马铃薯 | 类胡萝卜素衍生代谢 | crtO | 细菌β-胡萝卜素酮化酶 | 催化 | 马铃薯过表达产生酮类胡萝卜素 |
| 马铃薯 | 类胡萝卜素生物合成 | Bkt-1 | β-胡萝卜素酮化酶（来自绿藻） | 催化 | 马铃薯块茎表达产生酮类胡萝卜素 |
| 拟南芥、番茄、番红花 | 类胡萝卜素降解 | Ccd | 类胡萝卜素裂解双加氧酶 | 催化 | 裂解C9-C10键，参与形成挥发性芳香物质 |
| 番红花 | 类胡萝卜素降解 | Zcd | 玉米黄质双加氧酶 | 催化 | 特异裂解玉米黄质C7-C8键，生成藏花酸前体 |
| 红木（Bixa orellana） | 类胡萝卜素降解 | Lcd | 番茄红素双加氧酶 | 催化 | 特异裂解番茄红素C5-C6键，生成胭脂树橙前体 |
| 玉米、番茄 | 类胡萝卜素降解/ABA生物合成 | Nced | 9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶 | 催化 | 裂解9-顺式紫黄质/新黄质生成ABA前体黄氧素 |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素生物合成（辅因子） | Pto | 质体末端氧化酶 | 催化 | 作为类胡萝卜素脱饱和的辅因子，再生质体醌 |
| 番茄 | 光信号转导 | DET1 | 去黄化1蛋白 | 调控 | 果实特异性沉默可提高番茄类胡萝卜素、酚类和黄酮含量 |
| 番茄 | 光信号转导 | CRY2 | 隐花色素2 | 调控 | 过表达提高番茄果实抗氧化物质含量 |
| 拟南芥、芥菜等 | 光信号转导 | phytochrome | 光敏色素 | 调控 | 参与光调控Psy表达 |
| 番茄 | 甲羟戊酸途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 胞质甲羟戊酸途径，与类胡萝卜素合成存在底物交换 |
关键发现
- ['在拟南芥种子中特异过表达内源八氢番茄红素合成酶（Psy），β-胡萝卜素含量提高43倍，但导致萌发延迟和ABA水平升高。', '通过反义抑制/共抑制玉米黄质环氧化酶（Zep）基因，马铃薯块茎玉米黄质含量提高137倍（达40 μg/g DW）。', '油菜种子特异表达细菌八氢番茄红素合成酶crtB，β-胡萝卜素含量达1180 μg/g DW，为野生型的314倍。', '水稻胚乳中表达水仙Psy和欧文氏菌crtI，β-胡萝卜素含量达89 μg/g DW（Golden Rice II），300g大米可提供每日推荐摄入量。', '番茄果实中过表达内源番茄红素β-环化酶（Lcy-b），β-胡萝卜素含量达2050 μg/g DW，提高31.7倍
- 果实特异沉默DET1使类胡萝卜素增加8倍。', '龙胆花发育过程中Psy和Zds转录水平提高6-7倍，而ε-环化酶转录下降一半以上，导致类胡萝卜素从α分支转向β分支。']
研究结论
通过代谢工程可有效提高作物中类胡萝卜素含量和改变组成，如Golden Rice II已能满足维生素A需求；类胡萝卜素途径关键控制步骤包括DXS、PSY和番茄红素环化酶分支点；未来可通过协调过量表达关键基因、引入外源基因或操纵光信号转导途径实现优化；利用TILLING等非GM方法也可培育高类胡萝卜素性状。