Metabolic engineering of ketocarotenoid biosynthesis in higher plants
- 作者
- Changfu Zhu, Shaista Naqvi, Teresa Capell, Paul Christou
- 单位
- Departament de Producció Vegetal i Ciència Forestal, Universitat de Lleida; Institucio Catalana de Recerca i Estudis Avancats; School of Life Sciences, Northeast Normal University
- 杂志
- Archives of Biochemistry and Biophysics（2008）
- DOI
- 10.1016/j.abb.2008.10.029
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在高等植物中通过代谢工程高效合成酮类胡萝卜素（特别是虾青素），克服β-胡萝卜素向虾青素转化的瓶颈，并探索多基因共转化策略。
研究策略
系统综述了酮类胡萝卜素生物合成途径、β-胡萝卜素酮化酶（BKT/CRTW/CRTO/ASY等）的分类与功能，总结了在模式植物和作物中表达异源酮化酶和羟化酶的实例，并重点介绍了组合核转化方法用于多基因协同表达。
研究路线图
核心内容
该文系统综述了高等植物中酮类胡萝卜素（尤其是虾青素）代谢工程的研究进展，围绕β-胡萝卜素向虾青素转化的限速瓶颈展开。作者汇总了不同来源β-胡萝卜素酮化酶（BKT/CRTW/CRTO等）的酶学特性与功能差异，总结了在烟草、拟南芥、胡萝卜、油菜、番茄、马铃薯等多种植物中表达异源酮化酶和羟化酶的实例。关键结果表明，虾青素高效合成的核心在于避免中间产物adonixanthin积累，推荐使用Brevundimonas来源的crtW或其突变体。在烟草叶绿体中表达Brevundimonas SD212的crtW和crtZ，虾青素含量超过干重的0.5%，占总类胡萝卜素的70%以上；胡萝卜根表达bkt后，高达70%的总类胡萝卜素转化为酮类胡萝卜素，含量达2400 μg/g根干重；油菜经七基因协同转化，种子总类胡萝卜素达559 μg/g鲜重，为野生型的18.6倍。此外，组合核转化策略被证明是实现多基因协同表达、提高酮类胡萝卜素产量的有效途径。该综述为植物细胞工厂生产高值酮类胡萝卜素提供了明确的酶选择与转化策略指导。
创新点
归纳了不同来源β-胡萝卜素酮化酶的酶学特性，提出高效转化β-胡萝卜素至虾青素的关键在于避免adonixanthin积累，倡导使用Brevundimonas crtW或突变体，以及利用组合转化技术实现多基因整合。
研究对象（20）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | bkt1/bkt2/bkt3 | β-胡萝卜素酮化酶 (BKT) | 催化 | 天然积累虾青素，bkt基因在逆境胁迫下表达上调 |
| Synechococcus PCC7942 | 类胡萝卜素生物合成 | bkt (Haematococcus pluvialis 34/7) | β-胡萝卜素酮化酶 (BKT) | 催化 | 首次通过基因工程在蓝藻中产生虾青素 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 类胡萝卜素生物合成 | bkt (Haematococcus pluvialis) | β-胡萝卜素酮化酶 (BKT) | 催化 | 在花蜜组织中积累虾青素和角黄素 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 类胡萝卜素生物合成 | crtW和crtZ (Paracoccus sp. N81106) | CRTW和CRTZ | 催化 | 组成型表达，叶片中echinenone积累600-900 μg/g DW |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 类胡萝卜素生物合成 | crtO (Synechocystis sp. PCC 6803) | CRTO | 催化 | 花蜜中超过50%的类胡萝卜素为酮基衍生物 |
| 烟草叶绿体 (transplastomic tobacco) | 类胡萝卜素生物合成 | crtW和crtZ (Brevundimonas sp. SD212) | CRTW和CRTZ | 催化 | 虾青素含量超过干重的0.5%，占总类胡萝卜素的70%以上 |
| Nicotiana glauca | 类胡萝卜素生物合成 | crtW148 (Nostoc punctiforme PCC 73102) | CRTW148 | 催化 | 花瓣中检测到唯一酮类胡萝卜素adonixanthin |
| Nicotiana glauca | 类胡萝卜素生物合成 | crtO (Synechocystis sp. PCC 6803) | CRTO | 催化 | 总酮类胡萝卜素含量比crtW转化体高3倍以上 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 类胡萝卜素生物合成 | bkt (Haematococcus pluvialis) | β-胡萝卜素酮化酶 (BKT) | 催化 | 种子特异性表达，与过表达PSY杂交后酮类胡萝卜素增加13倍 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 类胡萝卜素生物合成 | bch (Arabidopsis thaliana) | β-胡萝卜素羟化酶 (BCH) | 催化 | 构成性过表达导致叶片中虾青素积累达19.1 nmol/g DW |
| Lotus japonicus | 类胡萝卜素生物合成 | crtW (Paracoccus sp. N81106) | CRTW | 催化 | 花瓣和叶片积累虾青素、adonixanthin等，总类胡萝卜素增加1.5倍 |
| 番茄 (Lycopersicon esculentum cv. Ailsa Craig) | 类胡萝卜素生物合成 | crtW和crtZ (Paracoccus sp. N81106) | CRTW和CRTZ | 催化 | 果实中echinenone含量仅0.01 μg/mg DW，叶片中水平低于烟草50倍 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum cv. Baltica) | 类胡萝卜素生物合成 | crtO (Synechocystis sp. PCC 6803) | CRTO | 催化 | 块茎中积累echinenone、3'-hydroxyechinenone和adonixanthin及虾青素 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum cv. Desiree; Solanum phureja cv. Mayan Gold) | 类胡萝卜素生物合成 | bkt (Haematococcus pluvialis) | β-胡萝卜素酮化酶 (BKT) | 催化 | 块茎中积累ketolutein和astaxanthin，无中间产物检测到 |
| 胡萝卜 (Daucus carota L.) | 类胡萝卜素生物合成 | bkt (Haematococcus pluvialis) | β-胡萝卜素酮化酶 (BKT) | 催化 | 高达70%总类胡萝卜素转化为酮类，含量达2400 μg/g根干重 |
| 油菜 (Brassica napus L.) | 类胡萝卜素生物合成 | ipi, crtE, crtB, crtI, crtY, crtW, crtZ | IPI, CRTE, CRTB, CRTI, CRTY, CRTW, CRTZ | 催化 | 七基因共转化，种子总类胡萝卜素559 μg/g鲜重，为野生型18.6倍，虾青素2.2 μg/g鲜重 |
| 玉米 (Zea mays L. cv. M37W) | 类胡萝卜素生物合成 | Zmpsy1, PacrtI, Glycb, Glbch, ParacrtW | PSY1, CRTI, LYCB, BCH, CRTW | 催化 | 组合核转化获得不同酮类胡萝卜素表型，验证多基因协同作用 |
| 大肠杆菌 (E. coli) | 类胡萝卜素生物合成 | crtW, crtO, crtZ等 | CRTW, CRTO, CRTZ等 | 催化 | 用于酮化酶和羟化酶的异源功能互补分析 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 类胡萝卜素生物合成 | asy | 虾青素合酶 (ASY, 细胞色素P450) | 催化 | 能催化β-胡萝卜素到虾青素的多个氧化步骤，与P450还原酶偶联 |
| Adonis aestivalis | 类胡萝卜素生物合成 | Adketo1, Adketo2 | β-胡萝卜素4-酮化酶 | 催化 | 通过3,4-脱饱和和4-羟基化形成4-酮基环，属于植物特有类型 |
关键发现
['Haematococcus pluvialis在逆境条件下虾青素含量可达干重的4-5%，而Xanthophyllomyces dendrorhous仅达0.5%。', '在烟草中同时表达Paracoccus crtW和crtZ，酮类胡萝卜素水平提高9倍，叶片中echinenone积累量达600-900 μg/g DW。', '拟南芥表达bkt并与过表达PSY株系杂交，酮类胡萝卜素含量比单表达bkt株系提高13倍。', '拟南芥组成型过表达内源bch基因，叶片中虾青素积累高达19.1 nmol/g DW。', '在烟草叶绿体中表达Brevundimonas SD212的crtW和crtZ，虾青素含量超过干重的0.5%，占总类胡萝卜素的70%以上。', '胡萝卜根表达bkt后，高达70%的总类胡萝卜素转化为酮类胡萝卜素，含量达2400 μg/g根干重。', '油菜经七基因协同转化，种子总类胡萝卜素达559 μg/g鲜重，为野生型的18.6倍，虾青素最大积累2.2 μg/g鲜重。', '番茄果实中echinenone含量仅为0.01 μg/mg DW，叶片中酮类胡萝卜素水平比相同转基因烟草低约50倍。', '马铃薯块茎中酮类胡萝卜素占总类胡萝卜素的10-12%。', 'Lotus japonicus表达crtW后总类胡萝卜素增加1.5倍，新形成的酮类胡萝卜素占总量的四分之一。', '烟草花蜜中超过50%的类胡萝卜素为酮基衍生物。', '在Nicotiana glauca中，表达Synechocystis crtO的转化体花瓣中总酮类胡萝卜素含量比表达crtW的转化体高3倍以上。']
研究结论
通过代谢工程在植物中生产酮类胡萝卜素是可行的，但高效合成虾青素需克服adonixanthin向astaxanthin转化的限速步骤。采用Brevundimonas来源的crtW基因或定向突变体，以及利用组合核转化策略实现多基因协同表达，是优化植物细胞工厂生产酮类胡萝卜素的有效途径。