Plant carotenoids: genomics meets multi-gene engineering
- 作者
- Giovanni Giuliano
- 单位
- Italian National Agency for New Technologies, Energy and Sustainable Development (ENEA), Casaccia Research Center, Via Anguillarese 301, Roma 00123, Italy
- 杂志
- Current Opinion in Plant Biology（2014）
- DOI
- 10.1016/j.pbi.2014.05.006
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
解析植物类胡萝卜素生物合成途径及其调控机制，并利用多基因工程手段改良植物类胡萝卜素组成，实现营养强化和高价值类胡萝卜素生产。
研究策略
系统综述近年来基因组学、功能基因组学和多基因工程（如组合转化、多顺反子表达、质体转化等）在植物类胡萝卜素研究中的应用，并总结关键基因和QTL。
核心内容
该论文系统综述了植物类胡萝卜素生物合成途径的基因组学解析与多基因工程改良策略。研究整合了基因组学、功能基因组学及多种多基因转化技术（如组合转化、多顺反子表达、质体转化），揭示了途径中关键新基因（如ZISO、CBFD/HBFD）与调控QTL。关键结果表明：在玉米中组合转化可回收七种转基因组合，同时超表达类胡萝卜素、抗坏血酸和叶酸途径基因使胚乳β-胡萝卜素提高169倍、维生素C提高6倍、叶酸提高2倍；水稻胚乳中2A多顺反子构建效率较IRES高9倍。此外，研究发现细菌CrtI无法完全转化八氢番茄红素，因其底物定位于质体球而酶在膜组分；LCY-b转基因在多种作物中并非β-胡萝卜素积累所必需；桃白肉与柑橘CCD4的差异表达及裂解活性直接决定色素组成。这些发现意味着基因组学鉴定出的QTL可用于分子标记辅助育种，而组合转化等多元件策略结合合成生物学模型，将显著提升植物类胡萝卜素营养强化与绿色化学生产效率。
创新点
综述了类胡萝卜素途径新基因的发现（ZISO、CBFD/HBFD等）、基因组学驱动的QTL鉴定，以及多种多基因工程策略的比较，指出了各策略的优势与局限。
研究对象（25）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 大肠杆菌 | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | 八氢番茄红素脱饱和酶（CrtI） | 催化 | 用于验证植物酶活性及作为工程工具，但无法完全转化八氢番茄红素 |
| 大肠杆菌 | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | 八氢番茄红素合酶（CrtB） | 催化 | 细菌酶，在植物工程中常用 |
| 水稻 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | Golden Rice 2 中使用玉米 PSY 提高β-胡萝卜素含量 |
| 水稻 | 类胡萝卜素生物合成 | crtB, crtI | CrtB和CrtI酶 | 催化 | 2A多顺反子比IRES效率高9倍 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY1 | 八氢番茄红素合酶1 | 催化 | 果实番茄红素积累的必需基因，由MADS-box RIN调控 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | ZISO | ζ-胡萝卜素异构酶 | 催化 | 功能可部分被光替代 |
| 玉米 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY1 | 八氢番茄红素合酶1 | 催化 | 定位于基质而非质体球 |
| 玉米 | 类胡萝卜素生物合成 | LCY-e | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 突变使通量转向β-分支，增加β-胡萝卜素 |
| 玉米 | 类胡萝卜素生物合成 | CHY | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 等位变异与β-胡萝卜素浓度相关 |
| 马铃薯 | 类胡萝卜素生物合成 | CHY, LCY-e | β-胡萝卜素羟化酶和番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 沉默导致β-胡萝卜素和总类胡萝卜素增加 |
| 马铃薯 | 类胡萝卜素生物合成 | ZEP | 玉米黄质环氧酶 | 催化 | 功能缺失或沉默导致玉米黄质积累 |
| 桃 | 类胡萝卜素裂解 | CCD4 | 类胡萝卜素裂解双加氧酶4 | 催化 | 白肉性状源于CCD4表达；黄色果肉由三种突变机制失活CCD4 |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | PIF1直接结合其启动子调控转录 |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素生物合成调控 | PIF1 | 光敏色素互作因子 | 调控 | 介导光调节的PSY转录 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成调控 | RIN | MADS-box转录因子 | 调控 | 与PSY启动子互作，调控果实成熟 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成调控 | SISGR1 | Stay Green蛋白 | 调控 | 直接与PSY酶互作，调节果实类胡萝卜素积累 |
| 马铃薯 | 有色体发生 | Or | Or调控因子（DnaJ样分子伴侣） | 调控 | 过表达诱导有色体形成，提高PSY稳定性 |
| 木薯 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY1 | 八氢番茄红素合酶1 | 催化 | SNP导致氨基酸改变，提高催化活性并共分离高β-胡萝卜素 |
| 烟草 | 虾青素生物合成 | crtZ, crtW | β-胡萝卜素羟化酶、β-胡萝卜素酮醇酶 | 催化 | 质体转化工程虾青素 |
| 莴苣 | 虾青素生物合成 | crtZ, crtW | β-胡萝卜素羟化酶、β-胡萝卜素酮醇酶 | 催化 | 质体转化产生虾青素脂肪酸酯 |
| 油菜 | 酮类胡萝卜素生物合成 | IPI, crtE, crtB, crtI, crtY, crtZ, crtW | 异戊烯基焦磷酸异构酶、GGPP合酶、八氢番茄红素合酶、八氢番茄红素脱饱和酶、番茄红素环化酶、β-胡萝卜素羟化酶、β-胡萝卜素酮醇酶 | 催化 | 将七个细菌基因组装于单个农杆菌载体 |
| 百合 | 酮类胡萝卜素生物合成 | IPI, crtE, crtB, crtI, crtY, crtZ, crtW | 多种类胡萝卜素合成酶 | 催化 | 七个细菌基因转化 |
| 大豆 | 类胡萝卜素生物合成 | crtB, crtI | 八氢番茄红素合酶和脱饱和酶 | 催化 | 2A多顺反子提高β-胡萝卜素 |
| Adonis aestivalis | 虾青素生物合成 | CBFD, HBFD | 胡萝卜素β-环4-脱氢酶、羟基-β-环4-脱氢酶 | 催化 | 植物虾青素途径，在E. coli中验证协同作用 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | nxd1 | 新黄质合成相关蛋白 | 催化 | 新近克隆，新黄质生物合成必需 |
关键发现
- 玉米组合转化回收了7种不同的转基因组合
- 同时超表达类胡萝卜素、抗坏血酸和叶酸途径基因使玉米胚乳β-胡萝卜素提高169倍、维生素C提高6倍、叶酸提高2倍
- 水稻胚乳中2A多顺反子比IRES构建效率高9倍
- 细菌CrtI不能完全转化八氢番茄红素，八氢番茄红素在质体球中而酶在膜组分
- LCY-b转基因在番茄果实和玉米、水稻胚乳中并非β-胡萝卜素积累所必需，内源LCY-b即可
- 桃白肉性状由CCD4表达导致，黄色果肉由三种独立突变机制失活CCD4产生
- 柑橘CCD4不对称裂解β-胡萝卜素和玉米黄质产生C30类胡萝卜素
- 玉米PSY1定位于基质而其他PSY同工酶定位于质体球
- 木薯PSY1单核苷酸多态性导致氨基酸改变并提高催化活性，与高β-胡萝卜素共分离。
研究结论
基因组学工具已鉴定出多个控制类胡萝卜素积累的QTL，可用于分子育种；核基因组和质体基因组的多基因工程工具（如组合转化、人工顺式元件）与合成生物学模型相结合，将大幅提升植物类胡萝卜素生物改造能力，用于营养强化和绿色化学。