Nutritious crops producing multiple carotenoids – a metabolic balancing act
- 作者
- Gemma Farré, Chao Bai, Richard M. Twyman, Teresa Capell, Paul Christou, Changfu Zhu
- 单位
- Departament de Producció Vegetal i Ciència Forestal, Universitat de Lleida-CRA, Av. Alcalde Rovira Roure, 191, Lleida 25198, Spain; Department of Biological Sciences, University of Warwick, Coventry CV4 7AL, UK; Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA), Barcelona, Spain
- 杂志
- Trends in Plant Science（2011）
- DOI
- 10.1016/j.tplants.2011.08.001
- 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
在通过代谢工程提高β-胡萝卜素含量的同时，如何平衡类胡萝卜素合成通路中其他营养性类胡萝卜素（特别是叶黄素和玉米黄质）的积累，避免因通量偏向单一产物而导致其他必需营养素缺乏。
研究策略
综述传统育种和基因工程中调控类胡萝卜素生物合成通量的不同策略，分析增加β-胡萝卜素通量对叶黄素和玉米黄质积累的影响，包括过表达关键酶（如PSY、CrtI、LYCB）、抑制竞争分支酶（如LYCE、BCH、ZEP）以及调控转录因子（如DET1）等方法。
核心内容
该文综述了通过代谢工程提高作物β-胡萝卜素含量时，如何平衡类胡萝卜素通路中叶黄素和玉米黄质等营养性产物的积累。作者系统分析了在水稻、玉米、马铃薯和油菜等作物中过表达关键酶（如PSY、CrtI、LYCB）、抑制竞争分支酶（如LYCE、BCH、ZEP）以及调控转录因子（如DET1）等策略对通量分配的影响。关键结果表明，即使定向增强β-胡萝卜素合成，由于通量在整个通路中的重新分配，叶黄素和玉米黄质也能同步增加，如转基因马铃薯的β-胡萝卜素提高3600倍至47.4 μg/g DW，同时玉米黄质和叶黄素分别增至11和23.1 μg/g DW。油菜中抑制LYCE使β-胡萝卜素达90.76 μg/g FW，叶黄素同步提高23倍。作者提出代谢通量平衡的概念，认为特定营养素的增强不会必然导致其他类胡萝卜素缺乏，所有证据均显示增加β-胡萝卜素通量可产生足够的附带叶黄素和玉米黄质以满足人类膳食需求，这为培育多营养强化作物提供了理论支持。
创新点
指出即使定向增强β-胡萝卜素合成，由于通量在整个通路中的重新分配，叶黄素和玉米黄质仍能同步增加；提出代谢通量平衡的概念，即增加β-胡萝卜素不会必然导致其他类胡萝卜素缺乏。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻（Oryza sativa） | 类胡萝卜素生物合成 | psy1 | PSY1 | 催化 | 来源于玉米，在Golden Rice 2中表达，显著提高胚乳类胡萝卜素含量至37 μg/g DW。 |
| 水稻（Oryza sativa） | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | CrtI | 催化 | 来源于Pantoea ananatis，细菌八氢番茄红素脱氢酶/异构酶，用于重建β-胡萝卜素合成路径。 |
| 水稻（Oryza sativa） | 类胡萝卜素生物合成 | lycb | LYCB | 催化 | 来源于黄水仙（Narcissus pseudonarcissus），番茄红素β-环化酶。 |
| 玉米（Zea mays） | 类胡萝卜素生物合成 | psy1 | PSY1 | 催化 | 玉米内源基因，过表达可增加总类胡萝卜素含量。 |
| 玉米（Zea mays） | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | CrtI | 催化 | 来源于P. ananatis，在多功能基因工程中表达。 |
| 玉米（Zea mays） | 类胡萝卜素生物合成 | lycb | LYCB | 催化 | 来源于龙胆（Gentiana lutea），过表达偏向β-分支。 |
| 玉米（Zea mays） | 类胡萝卜素生物合成 | bch | BCH | 催化 | β-胡萝卜素羟化酶，催化β-胡萝卜素转化为玉米黄质。 |
| 玉米（Zea mays） | 类胡萝卜素生物合成 | crtW | CrtW | 催化 | 来源于Paracoccus spp.，参与酮类胡萝卜素合成。 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum） | 类胡萝卜素生物合成 | crtB, crtI, crtY | CrtB, CrtI, CrtY | 催化 | 来源于P. ananatis，块茎特异表达，β-胡萝卜素提高3600倍。 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum） | 类胡萝卜素生物合成 | lyce | LYCE | 催化 | 反义RNA沉默，抑制α-分支以减少叶黄素合成，但实际叶黄素未下降。 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum） | 类胡萝卜素生物合成 | bch | BCH | 催化 | RNAi沉默，提高β-胡萝卜素积累。 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum） | 类胡萝卜素生物合成 | zep | ZEP | 催化 | 紫黄质环氧酶，沉默后玉米黄质提高133倍。 |
| 油菜（Brassica napus） | 类胡萝卜素生物合成 | DET1 | DET1 | 调控 | RNAi沉默，光信号通路转录调控因子，提高多种类胡萝卜素含量。 |
| 油菜（Brassica napus） | 类胡萝卜素生物合成 | lyce | LYCE | 催化 | RNAi下调，降低α-分支通量。 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | lycb | LYCB | 催化 | 过表达提高β-胡萝卜素含量，如Beta突变体。 |
| 胡萝卜（Daucus carota） | 类胡萝卜素生物合成 | psy | PSY | 催化 | 来自拟南芥，过表达使总类胡萝卜素提高93倍。 |
关键发现
Golden Rice 2通过表达玉米PSY1、细菌CrtI和黄水仙LYCB，胚乳类胡萝卜素含量达37 μg/g DW（初代Golden Rice仅1.6 μg/g DW）。转基因马铃薯（表达细菌crtB、crtI、crtY）β-胡萝卜素达47.4 μg/g DW（3600倍提高），玉米黄质11 μg/g DW（5.8倍），叶黄素23.1 μg/g DW（23倍）。转基因玉米（表达PSY1、CrtI、LYCB）β:α-胡萝卜素比从1.21升至3.51，叶黄素达13.12 μg/g DW（约25倍）。将上述转基因位点导入高β:α比(1.90)玉米品种后，玉米黄质达56 μg/g DW，β-胡萝卜素15.24 μg/g DW，叶黄素9.72 μg/g DW。表达PSY、CrtI、LYCB、BCH和CrtW的玉米系β-胡萝卜素25.78 μg/g DW（184倍），玉米黄质16.78 μg/g DW（62倍），叶黄素12.27 μg/g DW（23倍）。油菜RNAi沉默DET1后β-胡萝卜素7 μg/g FW（17.5倍），玉米黄质0.8 μg/g FW（4倍），叶黄素13 μg/g FW（2.1倍）。马铃薯反义沉默lyce后β-胡萝卜素提高14倍，但叶黄素未降低，总类胡萝卜素提高2.5倍。油菜RNAi抑制lyce后β-胡萝卜素90.76 μg/g FW（185倍），玉米黄质7 μg/g FW，叶黄素76.2 μg/g FW（23倍）。常规育种选择低LYCE活性玉米，β-胡萝卜素达13.6 μg/g DW，叶黄素6.36 μg/g DW，玉米黄质2.77 μg/g DW。马铃薯RNAi沉默bch后β-胡萝卜素提高331倍至16.55 μg/g DW，叶黄素提高2.5倍至6.85 μg/g DW，玉米黄质从29.65降至6 μg/g DW。马铃薯沉默zep后总类胡萝卜素提高5.7倍，β-胡萝卜素3.4倍，叶黄素1.9倍，玉米黄质提高133倍。
研究结论
所有现有证据表明，通过常规育种或生物技术手段特异性增加β-胡萝卜素通量，会产生足够的“附带”叶黄素和玉米黄质来满足人类膳食需求；类胡萝卜素通路中特定营养素的增强不会以牺牲其他营养性类胡萝卜素为代价。