Golden Rice - five years on the road - five years to go?
- 作者
- Salim Al-Babili, Peter Beyer
- 单位
- University of Freiburg, Center for Applied Biosciences
- 杂志
- Trends in Plant Science（2005）
- DOI
- 10.1016/j.tplants.2005.10.006
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过基因工程使水稻胚乳合成并积累β-胡萝卜素（维生素A原），以缓解发展中国家维生素A缺乏问题。
研究策略
采用农杆菌介导转化，将类胡萝卜素合成基因（psy、crtI等）导入水稻胚乳，通过优化基因来源（如用玉米PSY替代水仙PSY）、启动子和去除选择标记来提高维生素A原含量，并通过公私合作和品种回交推进产品开发。
核心内容
该研究系统回顾了“黄金大米”从技术验证到产品开发的五年进展，旨在通过基因工程使水稻胚乳合成并积累β-胡萝卜素，缓解发展中国家维生素A缺乏问题。研究者采用农杆菌介导转化，将细菌crtI及不同来源的psy基因导入水稻，并系统优化基因来源、启动子及选择标记去除策略。关键发现是PSY为胚乳类胡萝卜素合成的限速步骤，且玉米PSY效率远高于水仙PSY：原始版本GR1最高仅含1.6 μg/g类胡萝卜素，优化后达6.0 μg/g，而采用玉米PSY的GR2版本含量高达37 μg/g，其中84%为β-胡萝卜素。按保守估算，72克干GR2抛光米即可满足儿童维生素A推荐摄入量的50%。此外，研究揭示水稻胚乳中除PSY外其余类胡萝卜素合成基因mRNA均存在，PDS和ZDS过表达可促成β-胡萝卜素和叶黄素积累，表明内源脱饱和与异构化酶活性足以支撑下游通量。该工作验证了黄金大米的技术可行性，并将重点转向通过公私合作与品种回交将其交付农民，同时计划整合维生素E、铁、锌等营养性状以实现更全面的营养改善。
创新点
发现PSY是胚乳类胡萝卜素合成的限速步骤；玉米PSY比水仙PSY效率高得多，使GR2中类胡萝卜素含量达37 μg/g；利用无选择标记共转化技术；揭示内源PDS/ZDS/CRTISO活性。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Oryza sativa | 类胡萝卜素生物合成 | psy | 八氢番茄红素合酶（PSY） | 催化 | 原型GR中使用水仙（Narcissus pseudonarcissus）psy基因 |
| Oryza sativa | 类胡萝卜素生物合成 | psy | 八氢番茄红素合酶（ZmPSY） | 催化 | GR2中使用玉米（Zea mays）psy基因，显著提高类胡萝卜素含量 |
| Oryza sativa | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | 细菌八氢番茄红素脱饱和酶（CRTI） | 催化 | 来自Erwinia uredovora，替代植物PDS、ZDS和CRTISO，将八氢番茄红素直接转化为番茄红素 |
| Oryza sativa | 类胡萝卜素生物合成 | β-LCY | 番茄红素β-环化酶（β-LCY） | 催化 | 来自水仙，共转化用于将番茄红素环化为β-胡萝卜素 |
| Oryza sativa | 类胡萝卜素生物合成 | PDS、ZDS | 八氢番茄红素脱饱和酶（PDS）和ζ-胡萝卜素脱饱和酶（ZDS） | 催化 | 在pPlantCar载体中与PSY共表达，可产生β-胡萝卜素和叶黄素 |
| Oryza sativa | 类胡萝卜素生物合成 | CRTISO | 胡萝卜素顺反异构酶（CRTISO） | 催化 | 内源活性在植物型脱饱和途径中起作用 |
| Oryza sativa | 类异戊二烯生物合成 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（DXS） | 催化 | 来自水仙，过表达未提高类胡萝卜素含量，非限速步骤 |
| Oryza sativa | 类胡萝卜素生物合成 | LCY、HYD | 内源番茄红素环化酶和胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 内源表达负责β-胡萝卜素下游的环化和羟基化生成叶黄素等 |
关键发现
- 原始Golden Rice（GR1）类胡萝卜素含量最高达1.6 μg/g
- 优化后GR1事件达6.0 μg/g
- 新版本GR2使用玉米PSY，类胡萝卜素含量高达37 μg/g，其中84%为β-胡萝卜素。根据保守估算，72 g干GR2抛光米可提供儿童维生素A推荐摄入量的50%。此外，水稻胚乳中除PSY外其余类胡萝卜素合成基因mRNA均存在，PDS和ZDS过表达可导致β-胡萝卜素和叶黄素积累。
研究结论
Golden Rice的技术可行性已获验证，目前重点转向通过国际合作将其交付给农民与消费者；进一步研究将结合维生素E、铁、锌和蛋白质等营养性状，以全面改善营养。