Provitamin A biofortification of crop plants: a gold rush with many miners
- 作者
- Giovanni Giuliano
- 单位
- Italian National Agency for New Technologies, Energy and Sustainable Economic Development (ENEA), Casaccia Research Center, Via Anguillarese 301, Roma 00123, Italy
- 杂志
- Current Opinion in Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1016/j.copbio.2017.02.001
- 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
解决发展中国家维生素A缺乏问题，通过作物生物强化提高植物源食品中维生素A原类胡萝卜素（主要是β-胡萝卜素）含量及其生物利用度。
研究策略
综述了类胡萝卜素代谢工程的不同策略：'推'策略（过表达生物合成酶）、'阻'策略（沉默竞争性分支或降解酶）、'库'策略（增大代谢库容，如OR基因、质体分化）、采后稳定性策略，以及利用天然遗传变异和传统育种。
核心内容
该综述系统梳理了作物维生素A原生物强化的代谢工程策略与进展。作者围绕“推”（过表达生物合成酶如PSY、CrtI）、“阻”（沉默竞争分支或降解酶）、“库”（增大代谢库容如OR基因）及采后稳定性等途径，总结了自金色水稻以来多种“金色”作物的创制。关键结果包括：金色油菜油β-胡萝卜素含量达150000 μg/100g，金色番茄II达20000 μg/100g，金色水稻II达3100 μg/100g；“推”策略可使类胡萝卜素含量提高100至1000倍，而“阻”策略仅提高约10倍。研究还揭示了OR基因的双重机制——既稳定PSY又阻止β-胡萝卜素降解，其Arg→His突变可诱导积累。动物实验中β-胡萝卜素生物利用度差异显著（2%至70%），金色水稻的维生素A等价比为2.3:1。这表明转基因与传统育种已能有效提升主食作物营养品质，但公众接受度与采后稳定性仍是实际应用的主要瓶颈。
创新点
系统总结了从金色水稻以来多种'金色'作物的创制；揭示了OR基因的双重分子机制（稳定PSY和阻止β-胡萝卜素降解）；提出基因编辑和新型育种技术可加速性状转移。
研究对象（22）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY、CrtI、DXS | 八氢番茄红素合酶、细菌脱氢酶/异构酶CrtI、1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶 | 催化 | 金色水稻I和II中过表达细菌小途径，DXS共表达提高前体供应 |
| 油菜 | 类胡萝卜素生物合成 | CrtB | 细菌八氢番茄红素合酶 | 催化 | 种子特异启动子驱动CrtB过表达，产生'金色油菜' |
| 马铃薯 | 类胡萝卜素生物合成 | CrtI、CrtB、CrtY、ZEP、LCY-e、CHY | 细菌脱氢酶/异构酶、细菌八氢番茄红素合酶、番茄红素环化酶、玉米黄质环氧化酶、番茄红素ε-环化酶、胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 金色马铃薯II过表达细菌三基因途径；沉默ZEP或LCY-e提高特定类胡萝卜素 |
| 玉米 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY1、LCY-e、ZDS、CHY1、DXS2、CYP97A、GGPS1、GGPS2、CHY3、CCD1、ZEP、CrtO、CrtZ、BKT | 八氢番茄红素合酶、番茄红素ε-环化酶、ζ-胡萝卜素脱饱和酶、胡萝卜素羟化酶、1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶、羟化酶、细菌/藻类酮醇酶等 | 催化 | 组合转化5个类胡萝卜素基因产生化学型文库；过表达PSY1/CrtZ/BKT并沉默LCY-e积累虾青素 |
| 木薯 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY2 | 八氢番茄红素合酶2 | 催化 | PSY2中Ala→Asp突变导致黄色木薯高β-胡萝卜素；金色木薯为转基因 |
| 小麦 | 类胡萝卜素生物合成 | CrtB、CrtI、LCY-e、PSYA1、Tahyd | 细菌八氢番茄红素合酶、细菌脱氢酶/异构酶、番茄红素ε-环化酶、八氢番茄红素合酶A1、胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 过表达CrtB并沉默Tahyd提高β-胡萝卜素；天然QTL影响叶黄素含量 |
| 高粱 | 类胡萝卜素生物合成 | CrtB、CrtI、维生素E相关基因 | 细菌八氢番茄红素合酶、细菌脱氢酶/异构酶 | 催化 | 提高维生素E含量保护β-胡萝卜素免于氧化降解 |
| 香蕉 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 金色香蕉田间试验，水果中β-胡萝卜素达55 μg/g干重 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | CYC-b、LCY-e、PSY1、CrtI、LCY-b、DET1、CRY2、ABA相关基因 | 番茄红素β-环化酶、番茄红素ε-环化酶、八氢番茄红素合酶、细菌脱氢酶/异构酶等 | 催化 | 过表达LCY-b使番茄红素几乎完全转化为β-胡萝卜素；DET1沉默和CRY2调控增加类胡萝卜素 |
| 胡萝卜 | 类胡萝卜素生物合成 | Y、Y2、CYP97A3 | 细胞色素P450羟化酶CYP97A3、光形态建成抑制因子 | 调控 | Y和Y2位点控制胡萝卜根中类胡萝卜素积累；CYP97A3突变与α-胡萝卜素积累相关 |
| 花椰菜 | 类胡萝卜素生物合成 | OR | ORANGE蛋白（DnaJ共伴侣蛋白） | 调控 | 半显性OR突变导致β-胡萝卜素积累，纯合半致死 |
| 甜瓜 | 类胡萝卜素生物合成 | OR | ORANGE蛋白 | 调控 | OR Arg→His突变与高β-胡萝卜素共分离，过表达于拟南芥可诱导积累 |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素生物合成 | OR、PSY、CYP97A3 | ORANGE蛋白、八氢番茄红素合酶、羟化酶 | 调控 | OR过表达稳定PSY并阻止β-胡萝卜素降解；PSY过表达也可诱导晶体型有色体分化 |
| 水稻愈伤组织 | MEP途径和类胡萝卜素合成 | DXS、PSY、CrtI | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶、八氢番茄红素合酶、细菌脱氢酶/异构酶 | 催化 | DXS共表达增加总类胡萝卜素和β-胡萝卜素，说明前体供应是限速步骤 |
| 玉米胚乳 | 类胡萝卜素生物合成 | CrtRB1、LCY-e、CHY1 | 细菌八氢番茄红素合酶、番茄红素ε-环化酶、胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 天然等位基因变异用于玉米维生素A原生物强化 |
| 马铃薯块茎 | 类胡萝卜素生物合成 | ZEP、CHY2 | 玉米黄质环氧化酶、胡萝卜素羟化酶2 | 催化 | ZEP隐性等位基因增加总类胡萝卜素；CHY2过表达选择性积累玉米黄质 |
| 甘薯 | 类胡萝卜素生物合成 | OR | ORANGE蛋白 | 调控 | OR过表达提高类胡萝卜素并增强胁迫耐受性 |
| 柑橘 | 类胡萝卜素生物合成 | CHY | 胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 沉默CHY增加β-胡萝卜素 |
| 辣椒 | 类胡萝卜素生物合成 | CCS | 辣椒红素/辣椒玉红素合酶 | 催化 | 物种特异性κ环黄素合成 |
| 藏红花 | 类胡萝卜素裂解 | CCD2 | 类胡萝卜素裂解双加氧酶2 | 催化 | 催化藏红花素生物合成第一步 |
| 杨梅（侧金盏花） | 类胡萝卜素生物合成 | CBFD、HBFD | 类胡萝卜素β-环4-脱氢酶、4-羟基-β-环4-脱氢酶 | 催化 | 导致虾青素产生 |
| 动物（人类/沙鼠/鸡） | 维生素A代谢 | BCMO1、BCDO2、ISX、SR-BI | β-胡萝卜素15,15'-单加氧酶、β-胡萝卜素-9',10'-双加氧酶、肠特异性同源框转录因子、清道夫受体B类I型 | 调控 | ISX调控肠道吸收和维生素A合成；SR-BI介导类胡萝卜素吸收 |
关键发现
- 自1999年以来超过90篇类胡萝卜素代谢工程论文
- 金色油菜油β-胡萝卜素含量达150000 μg/100g，金色番茄II达20000 μg/100g，多维生素玉米达5900 μg/100g，金色水稻II达3100 μg/100g，金色木薯达1800 μg/100g，生物强化玉米达1500 μg/100g，橙色花椰菜800 μg/100g，黄色木薯800 μg/100g，金色土豆II 810 μg/100g
- 维生素A等价比值：金色水稻2.3:1，生物强化玉米3.8-6.5:1，木薯4.2:1，蒙古沙鼠试验中玉米3:1、甘薯3.5-6.5:1、木薯3.7:1
- '推'策略使类胡萝卜素含量提高100-1000倍，'阻'策略提高至10倍
- β-胡萝卜素生物利用度从2%到70%不等。OR Arg→His突变可诱导β-胡萝卜素积累。
研究结论
通过转基因和传统育种已成功实现多种作物的维生素A原生物强化，金色水稻、玉米、木薯等主食作物的β-胡萝卜素转化率较高，具有重大营养影响；但公众接受度和监管是主要障碍，未来需要进一步研究采后稳定性、类胡萝卜素代谢产物及在营养不良人群中的生物转化。