Biosynthesis and Engineering of Carotenoids and Apocarotenoids in Plants: State of the Art and Future Prospects
- 作者
- Carlo Rosati, Gianfranco Diretto, Giovanni Giuliano
- 单位
- ENEA, Trisaia Research Center; ENEA, Casaccia Research Center
- 杂志
- Biotechnology and Genetic Engineering Reviews（2009）
- DOI
- 10.5661/bger-26-139
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
综述植物中类胡萝卜素及其脱辅基衍生物的生物合成途径和工程化改造策略，重点关注如何通过分子育种提高作物中维生素A原等高价值类胡萝卜素的含量，以解决维生素A缺乏等公共健康问题。
研究策略
采用系统文献综述方法，先概述植物类胡萝卜素合成途径（MEP/MVA途径、八氢番茄红素合成、脱氢、环化、羟基化、CCD裂解等），再按物种（水稻、玉米、油菜、胡萝卜、拟南芥、番茄、马铃薯、烟草等）分析核转化、质体转化、瞬时表达、多基因共表达、转录因子及质体相关蛋白操作等不同工程策略的成功案例。
核心内容
该综述系统总结了植物类胡萝卜素及其脱辅基衍生物的生物合成途径与代谢工程改造策略。作者梳理了从MEP/MVA途径到八氢番茄红素合成、脱氢、环化、羟基化及CCD裂解的完整代谢网络，并重点分析了水稻、玉米、油菜、胡萝卜、拟南芥、番茄、马铃薯等作物中核转化、质体转化、瞬时表达、多基因共表达及转录因子调控等不同工程策略的成功案例。综述突出介绍了多项创新方法，包括利用细菌多功能酶CrtI替代植物内源脱氢酶、质体基因组多基因操纵子表达、组合转化构建代谢表型文库，以及通过花椰菜Or蛋白创造类胡萝卜素储存库等。关键结果方面，第二代黄金大米通过玉米优化PSY使β-胡萝卜素提高17倍；玉米表达细菌CrtB/CrtI使β-胡萝卜素最高提高34倍；马铃薯共表达CrtB/CrtI/CrtY使β-胡萝卜素提高3600倍（达47 μg/g干重）；烟草质体表达CrtZ/CrtW使虾青素占总类胡萝卜素70%以上。该综述表明，针对途径中多数结构基因的工程操作均能显著改善作物营养价值，未来整合多组学方法及新型调控工具将进一步拓展类胡萝卜素分子育种策略，为解决维生素A缺乏等公共健康问题提供可行途径。
创新点
总结了近年类胡萝卜素代谢工程的新进展，包括：利用细菌多功能酶CrtI替代植物PDS/ZDS/CRTISO实现脱氢与异构；质体基因组表达多基因操纵子（如Brevundimonas CrtZ/CrtW共表达）；组合转化技术导入多基因构建代谢表型文库；通过转录因子（如葡萄MYB）和光信号因子（DET1、COP1LIKE、CRY2）调控类胡萝卜素积累；利用花椰菜Or等质体相关蛋白创造类胡萝卜素储存库；以及多基因（七基因）酮类胡萝卜素途径工程。
研究对象（27）
| 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 | PSY (来自黄水仙/玉米) | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 黄金大米中过表达PSY，GR2用玉米PSY提高β-胡萝卜素17倍 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 类胡萝卜素生物合成 | CrtI (来自欧文氏菌) | 八氢番茄红素脱氢酶/异构酶 | 催化 | 与PSY共表达形成迷你途径，合成β-胡萝卜素 |
| 玉米 (Zea mays) | 类胡萝卜素生物合成 | CrtB, CrtI | 八氢番茄红素合酶, 脱氢酶 | 催化 | 转细菌基因，β-胡萝卜素提高34倍 |
| 玉米 (Zea mays) | 类胡萝卜素和维生素代谢 | Psy1, Lcy-b, Chy, CrtI, CrtW | 多种类胡萝卜素合成酶 | 催化 | 组合转化产生多种表型，β-胡萝卜素提高169倍 |
| 油菜 (Brassica napus) | 类胡萝卜素生物合成 | CrtB | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 种子特异表达，总类胡萝卜素提高50倍 |
| 油菜 (Brassica napus) | 酮类胡萝卜素生物合成 | 来自Erwinia, Brevundimonas, Paracoccus的7个基因 | CrtB, CrtI, CrtY, CrtZ, CrtW等 | 催化 | 总类胡萝卜素提高30倍，种子呈橙色或粉橙色 |
| 胡萝卜 (Daucus carota) | 酮类胡萝卜素生物合成 | CrtO (来自藻类) | β-胡萝卜素酮醇酶 | 催化 | 酮类胡萝卜素占总类胡萝卜素70%，达2.4 mg/g根干重 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 类胡萝卜素生物合成 | AtPSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 种子特异过表达提高β-胡萝卜素、叶黄素和紫黄质 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 叶黄素循环 | AtCHY | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 过表达增强耐光热胁迫，黄体素循环池增加2倍 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 酮类胡萝卜素生物合成 | Haematococcus酮醇酶基因 | β-胡萝卜素酮醇酶 (CrtO型) | 催化 | 种子合成酮类胡萝卜素，与PSY过表达叠加提高13倍 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成 | LCY-b (来自拟南芥/番茄) | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 过表达使β-胡萝卜素提高7-32倍 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成 | CrtI (来自欧文氏菌) | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 过表达提高β-胡萝卜素和叶黄素，反馈上调内源LCY-b |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 脱辅基类胡萝卜素挥发物合成 | LeCCD1b | 类胡萝卜素裂解双加氧酶1b | 催化 | 反义下调减少β-紫罗兰酮和香叶基丙酮 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 单萜生物合成 | GES (来自罗勒) | 香叶醇合酶 | 催化 | 果实特异表达，增加单萜、减少番茄红素 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 光信号转导 | DET1, COP1LIKE, CRY2, HY5 | 光形态建成调控因子 | 调控 | 沉默DET1/COP1LIKE或过表达CRY2使番茄红素提高2倍 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成 | MYB (来自葡萄) | R2R3-MYB转录因子 | 调控 | 过表达增加果实β-胡萝卜素含量 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum) | 类胡萝卜素生物合成 | CrtB, CrtI, CrtY | 八氢番茄红素合酶, 脱氢酶, 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 三基因共表达使β-胡萝卜素提高3600倍，达47 μg/g干重 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum) | 类胡萝卜素生物合成 | Or (来自花椰菜) | DnaJ半胱氨酸丰富域蛋白 | 区室化 | 诱导色质体形成，β-胡萝卜素提高1600倍，总类胡萝卜素提高7倍 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum) | 类胡萝卜素生物合成 | LCY-e, CHY, ZEP | 番茄红素ε-环化酶, β-胡萝卜素羟化酶, 玉米黄质环氧酶 | 催化 | 沉默这些基因可提高β-胡萝卜素或玉米黄质 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 酮类胡萝卜素生物合成 | CrtZ, CrtW (来自Brevundimonas) | β-胡萝卜素羟化酶, CrtW酮醇酶 | 催化 | 质体转化表达，虾青素占总类胡萝卜素>70%，>0.5%干重 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 类胡萝卜素生物合成 | CrtZ (细菌) | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 过表达增强UV耐受性 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 脱落酸生物合成 | NCED (来自龙胆 Gentiana lutea) | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶 | 催化 | 过表达影响ABA相关表型 |
| 红木 (Bixa orellana) | 胭脂树素（bixin）生物合成 | BoLCD, BoBADH, BonBMT | 番茄红素裂解双加氧酶, 醛脱氢酶, 甲基转移酶 | 催化 | 构成合成bixin的迷你途径 |
| 藏红花 (Crocus sativus) | 藏红花素/藏花醛生物合成 | CsCCD4a/b, CsZCD, UGTCs2 | 类胡萝卜素裂解双加氧酶, 葡萄糖基转移酶 | 催化 | 参与藏红花素、苦藏花素等合成 |
| 侧金盏花 (Adonis aestivalis) | 酮类胡萝卜素生物合成 | AdKeto1, AdKeto2 | 酮醇酶（3,4-脱饱和酶/4-羟化酶） | 催化 | 负责虾青素合成，与CHY高度同源但无羟化酶活性 |
| 辣椒 (Capsicum annuum) | 辣椒红素生物合成 | Ccs | 辣椒红素-辣椒玉红素合酶 | 催化 | 催化紫黄质和环氧玉米黄质生成红色类胡萝卜素 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 质体发育 | fibrillin (来自辣椒) | 质体脂质相关蛋白 | 区室化 | 过表达增加质体小球数量，影响植物发育 |
关键发现
- 作者综述了多个成功案例：第二代黄金大米(GR2)利用玉米优化PSY序列使β-胡萝卜素和总类胡萝卜素分别提高17倍和23倍
- 玉米表达细菌CrtB/CrtI使β-胡萝卜素最高提高34倍，多维生素玉米中β-胡萝卜素提高169倍、抗坏血酸6倍、叶酸2倍
- 油菜种子表达CrtB使总类胡萝卜素提高50倍，七基因酮类胡萝卜素工程使总类胡萝卜素提高30倍
- 胡萝卜表达藻源CrtO产生的酮类胡萝卜素占总类胡萝卜素70%（最高2.4 mg/g根干重）
- 马铃薯同时表达CrtB/CrtI/CrtY使β-胡萝卜素提高3600倍（47 μg/g干重），表达花椰菜Or基因使β-胡萝卜素提高1600倍、总类胡萝卜素7倍
- 烟草质体表达CrtZ/CrtW使虾青素占总类胡萝卜素>70%（>0.5%干重）
- 番茄过表达LCY-b使β-胡萝卜素提高7-32倍。
研究结论
类胡萝卜素工程已被证明能显著改善重要作物的营养价值，通过核转化、质体转化和瞬时表达等策略操作途径中大多数结构基因均可实现成功改造；未来整合遗传学、分子生物学、生物化学和基因组学方法将加快对（脱辅基）类胡萝卜素途径的整体理解，转录因子和质体相关蛋白等新型调控工具将进一步拓展分子育种手段。