Metabolic engineering of carotenoid biosynthesis in plants

解决的核心问题

植物类胡萝卜素在人类营养和抗逆性中发挥重要作用，但主粮作物中维生素A原等类胡萝卜素含量不足，特种类胡萝卜素（如虾青素）生产依赖化学合成且成本高、立体异构不纯，叶片类胡萝卜素改造对提高抗逆性有潜力。核心问题是如何通过代谢工程有效提高作物中类胡萝卜素含量、定向生产高价值类胡萝卜素并增强植物抗逆性。

研究策略

系统综述植物类胡萝卜素生物合成途径及过去六年的代谢工程努力：过表达细菌基因（CrtB、CrtI、CrtY、CrtZ、CrtW、CrtO）或植物内源基因（DXS、LCY-b、CHY、HDR等），通过组织特异性启动子避免负面影响；沉默负调控因子（DET1、DDB1、COP1、LCY-e、CHY、ZEP等）；利用质体转化表达多顺反子；工程调控蛋白（CRY2、DET1等）和辅助蛋白（Or、fibrillin、CHRD）以提供代谢库或调控质体分化。

研究路线图

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核心内容

该文系统综述了2002至2008年间植物类胡萝卜素代谢工程的研究进展，旨在解决主粮作物维生素A原含量不足及高价值类胡萝卜素依赖化学合成的问题。研究者比较了多种策略，包括过表达细菌基因（CrtB、CrtI、CrtY、CrtO等）或植物内源基因（DXS、LCY-b、CHY等），利用组织特异性启动子避免生长抑制，沉默负调控因子（DET1、LCY-e等），以及通过质体转化和调控蛋白（Or、fibrillin）工程提供代谢库。关键结果显示，马铃薯块茎共表达CrtB、CrtI、CrtY使α-和β-胡萝卜素从10 μg/g DW增至60 μg/g DW（6倍）；水稻胚乳中使用玉米或水稻PSY比水仙PSY使β-胡萝卜素提高17倍，从1.8 μg/g DW增至31 μg/g DW（Golden Rice 2）；胡萝卜根过表达CrtO使虾青素积累高达90至130 μg/g FW。这些结果表明，通过组合表达细菌基因和调控内源途径，可在油菜籽、水稻和马铃薯中将维生素A原富集至具有营养显著性的水平，并在虾青素定向合成和叶片抗逆性改良方面取得突破，为作物营养强化和高价值类胡萝卜素生产提供了可行路径。

创新点

比较了不同底盘中多种策略的效率，发现细菌CrtI可替代植物PDS/ZDS/CrtISO/ZISO的脱饱和与异构化功能；证明组织特异性表达对避免生长抑制至关重要；发现代谢通道化（如LCY-b与CHY协作）影响产物积累；提出通过工程调控蛋白（DET1沉默）和辅助蛋白（Or基因）增加类胡萝卜素积累的新途径；验证质体转化和病毒介导表达等新工具。

研究对象（27）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
水稻胚乳	类胡萝卜素生物合成	PSY	八氢番茄红素合酶	催化	玉米或水稻PSY比水仙PSY更有效地驱动β-胡萝卜素积累，使含量提高17倍。
水稻胚乳	类胡萝卜素生物合成	CrtI	细菌八氢番茄红素脱饱和酶/异构酶	催化	与PSY共表达使水稻胚乳积累β-胡萝卜素和β-黄嘌呤（'黄金水稻'）。
马铃薯块茎	类胡萝卜素生物合成	CrtB, CrtI, CrtY	细菌八氢番茄红素合酶、八氢番茄红素脱饱和酶/异构酶、β-环化酶	催化	块茎特异性共表达使α-和β-胡萝卜素从10 μg/g DW增至60 μg/g DW。
马铃薯块茎	MEP途径	DXS	1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶	催化	过表达使八氢番茄红素增加6倍，并导致早期萌芽表型。
马铃薯块茎	类胡萝卜素生物合成	ZEP	玉米黄质环氧化酶	催化	沉默ZEP导致玉米黄质积累和总类胡萝卜素增加。
马铃薯块茎	类胡萝卜素生物合成	LCY-e	ε-环化酶	催化	沉默LCY-e增强β-胡萝卜素和总类胡萝卜素。
马铃薯块茎	类胡萝卜素生物合成	CHY	β-胡萝卜素羟化酶	催化	沉默CHY增强β-胡萝卜素含量。
番茄果实	类胡萝卜素生物合成	LCY-b	β-环化酶	催化	过表达LCY-b使β-胡萝卜素提高>7倍。
番茄果实	类胡萝卜素生物合成	BETA	染色体特异性β-环化酶	催化	过表达增加β-胡萝卜素，但突变体积累的β-胡萝卜素不易被羟化/酮化。
番茄果实	类胡萝卜素生物合成	CrtI	细菌八氢番茄红素脱饱和酶/异构酶	催化	过表达使β-胡萝卜素增加2倍。
番茄果实	类胡萝卜素生物合成	CrtB	细菌八氢番茄红素合酶	催化	果实特异性过表达增强番茄红素（1.5-2倍）。
番茄果实	类胡萝卜素生物合成	CrtY	细菌β-环化酶	催化	质体转基因表达使β-胡萝卜素含量提高4倍。
番茄果实	类胡萝卜素生物合成	LCY-b, CHY	β-环化酶和β-胡萝卜素羟化酶	催化	共表达产生玉米黄质，提示代谢通道化。
番茄植株	光信号转导	CRY2	隐花色素2蓝光受体	调控	过表达增加果实和叶片类胡萝卜素及类黄酮。
番茄果实	光信号转导	DET1	去黄化1蛋白	调控	果实特异性沉默DET1增强类胡萝卜素和类黄酮含量，且无不良表型。
烟草花/叶	类胡萝卜素生物合成	CrtO	酮酶（来自雨生红球藻）	催化	过表达在蜜腺积累高水平虾青素和酮类胡萝卜素。
胡萝卜根	类胡萝卜素生物合成	CrtO	酮酶（来自雨生红球藻）	催化	过表达使>90 μg/g FW（总>130 μg/g FW）形成虾青素和β-酮类胡萝卜素，无酮叶黄素。
马铃薯块茎（Mayan Gold）	类胡萝卜素生物合成	CrtO	酮酶（来自雨生红球藻）	催化	过表达使虾青素达13 μg/g DW，并生成酮叶黄素。
拟南芥叶片	类胡萝卜素生物合成	CrtZ, CHY	β-胡萝卜素羟化酶	催化	过表达增加β-黄嘌呤库，提高对UV、高光、高温和低温的耐受性。
拟南芥叶片	MEP途径	HDR	羟甲基丁烯基二磷酸还原酶	催化	过表达增加叶类胡萝卜素含量，但未报道抗逆性变化。
拟南芥叶片	类胡萝卜素生物合成	RAP2.2	转录因子	调控	过表达降低PSY和PDS转录及类胡萝卜素水平。
番茄果实	类胡萝卜素生物合成	FIBRILLIN	纤维蛋白（类胡萝卜素结合蛋白）	区室化	过表达增加类胡萝卜素和类胡萝卜素衍生香气挥发物，延缓类囊体降解。
番茄花	类胡萝卜素生物合成	CHRD	质体脂质相关蛋白	区室化	沉默CHRD降低花类胡萝卜素和光合电子传递。
花椰菜/马铃薯	类胡萝卜素生物合成	Or	DnaJ样伴侣蛋白	调控	过表达诱导β-胡萝卜素积累的染色体分化，提供代谢库。
辣椒果实	类胡萝卜素生物合成	CaCCS	辣椒红素/辣椒玉红素合酶	催化	合成酮类类胡萝卜素辣椒红素。
侧金盏花花瓣	类胡萝卜素生物合成	AdKETO	酮酶（CHY类似物）	催化	参与虾青素合成。
拟南芥突变体/番茄	类胡萝卜素生物合成	CYP97C	细胞色素P450羟化酶	催化	羟化叶黄素的ε环。

关键发现

油菜籽中过表达CrtB即可大幅增加八氢番茄红素、α-胡萝卜素和β-胡萝卜素
马铃薯块茎共表达CrtB、CrtI、CrtY使α-和β-胡萝卜素从10 μg/g DW增至60 μg/g DW（6倍）
过表达DXS使八氢番茄红素增加6倍并导致早期萌发
沉默ZEP增加了玉米黄质累积
沉默LCY-e或CHY提高β-胡萝卜素和总类胡萝卜素，但低于CrtB/CrtI/CrtY共表达
水稻胚乳中单独表达PSY仅积累八氢番茄红素，同时表达CrtI产生'黄金水稻'
玉米或水稻PSY比水仙PSY使β-胡萝卜素提高17倍，从1.8 μg/g DW增至31 μg/g DW（Golden Rice 2）
番茄中过表达CrtI使β-胡萝卜素增加2倍，过表达LCY-b或BETA使β-胡萝卜素增加>7倍
质体表达CrtY使番茄果实β-胡萝卜素提高4倍
番茄中过表达LCY-b和CHY可合成玉米黄质，而BETA突变体累积的β-胡萝卜素不易被羟化/酮化
马铃薯Mayan Gold过表达CrtO使虾青素积累高达13 μg/g DW
胡萝卜根过表达CrtO使>90 μg/g FW（α-和β-胡萝卜素>170 μg/g FW）转移到虾青素和其他β-酮类胡萝卜素（分别>90和>130 μg/g FW）
拟南芥中过表达HDR增加叶类胡萝卜素
番茄果实特异性沉默DET1增加类胡萝卜素和类黄酮
全球类胡萝卜素市场约9亿美元/年，虾青素和角黄素占>55%
在营养评估中，儿童和成人维生素A RDA分别为300和800 μg视黄醇当量/天，假设6:1换算，约5 g/天'金色菜籽油'、60 g/天（干重）'Golden Rice 2'、150 g/天（鲜重）'金色马铃薯'可满足儿童100% RDA和成人38% RDA。

研究结论

近年来植物类胡萝卜素代谢工程取得了显著成功：在油菜籽、水稻和马铃薯中已将维生素A原富集到可提供营养显著剂量的水平；在虾青素工程方面也获得重要突破（如胡萝卜根和马铃薯块茎）；叶片中工程化β-黄嘌呤库增强了抗逆性；调控蛋白和辅助蛋白工程成为新方向。然而，要使该技术成熟，仍需对类胡萝卜素途径进行代谢通量分析、明确与其他代谢途径的交叉调控、鉴定更多调控因子、并建立营养与农艺性状的严格评估标准。