Genetic engineering of commercially useful biosynthetic pathways in transgenic plants
- 作者
- Ganesh M. Kishore, Christopher R. Somerville
- 单位
- Monsanto Company, St Louis; Michigan State University, East Lansing, USA
- 杂志
- Current Opinion in Biotechnology（1993）
- DOI
- 10.1016/0958-1669(93)90116-e
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过基因工程手段改造转基因植物中的生物合成途径，以增加或改变具有商业价值的非蛋白化合物（如碳水化合物、油脂、聚合物、萜类和次生代谢产物）的产量或组成，从而替代石油基产品、提高作物附加值或增强抗逆性。
研究策略
综述近年来利用克隆基因改变作物化学组成的研究进展，涵盖碳水化合物（蔗糖、淀粉、环糊精）、油脂（脂肪酸脱饱和、中链脂肪酸）、新型聚合物（PHB）、萜类及次生代谢产物等途径，涉及异源表达、反义抑制、转录因子调控和基因导入等方法。
研究路线图
核心内容
该综述系统梳理了利用基因工程改造转基因植物中商业价值生物合成途径的研究进展，涵盖碳水化合物、油脂、聚合物、萜类和次生代谢产物等方向。通过异源表达、反义抑制、转录因子调控等策略，研究者实现了对植物代谢通路的定向改造。例如，表达玉米蔗糖磷酸合酶的番茄叶片蔗糖含量增加50%；表达细菌突变ADPGPP的马铃薯块茎淀粉和干物质含量提高，而反义抑制该基因则使淀粉降至对照的2–5%、蔗糖升至对照的6倍；反义GBSS几乎完全消除了马铃薯直链淀粉；导入环糊精转移酶使块茎中少量淀粉转化为环糊精；表达细菌甘露醇脱氢酶的烟草积累甘露醇达6 μmol g⁻¹鲜重，并在250 mM NaCl下生长显著优于对照。此外，导入中链硫酯酶使拟南芥累积高水平的12碳脂肪酸，引入PHB合成途径的植株产生了约0.1 mg/g组织的生物塑料。这些结果证明，通过表达关键酶或转录因子增强植物生产有价值化合物的策略总体可行，目前的主要瓶颈在于可用于生物合成途径的结构基因和调控基因数量仍然有限。
创新点
提出了通过表达关键酶或转录因子来调控植物代谢通路的多种策略，如表达细菌ADPGPP提高淀粉产量、反义抑制GBSS产生高直链淀粉、表达环糊精转移酶生产环糊精、表达甘露醇脱氢酶增强耐盐性、表达中链硫酯酶产生中链脂肪酸、导入PHB合成途径生产生物塑料、利用转录因子Lc激活花青素合成等。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄（tomato） | 蔗糖生物合成 | 玉米SPS cDNA | 蔗糖磷酸合酶（SPS） | 催化 | 在RuBisCO小亚基启动子控制下表达，使叶片蔗糖增加50% |
| 马铃薯（potato） | 淀粉生物合成 | 大肠杆菌突变ADPGPP基因 | ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（ADPGPP） | 催化 | 在patatin启动子控制下表达，提高块茎淀粉和干物质含量 |
| 马铃薯（potato） | 淀粉生物合成 | 反义ADPGPP-B基因 | ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（ADPGPP） | 催化 | 反义抑制导致淀粉降至对照2-5%，蔗糖和葡萄糖分别升高至6倍和8倍 |
| 马铃薯（potato） | 直链淀粉合成 | 反义GBSS基因 | 颗粒结合型淀粉合酶（GBSS） | 催化 | 反义表达使直链淀粉含量从21%降至接近零 |
| 马铃薯（potato） | 环糊精合成 | Klebsiella pneumoniae CD转移酶基因 | 环糊精葡萄糖基转移酶（CGTase） | 催化 | 在patatin启动子控制下表达，约0.001-0.01%的淀粉转化为环糊精，产物α:β比例20:1 |
| 烟草（tobacco） | 甘露醇代谢 | 细菌甘露醇1-磷酸脱氢酶基因 | 甘露醇1-磷酸脱氢酶 | 催化 | 组成型表达使叶片和根积累甘露醇达6 μmol g^-1鲜重，增强耐盐性 |
| 油菜（rapeseed，Brassica rapa） | 种子油脂肪酸合成 | 反义硬脂酰-ACP脱饱和酶基因 | 硬脂酰-ACP脱饱和酶 | 催化 | 反义表达降低酶活性，显著增加种子硬脂酸含量 |
| 拟南芥和B. nasus | 脂肪酸合成 | 加州月桂（Umbellularia californica）硫酯酶基因 | 中链硫酯酶 | 催化 | 表达该基因导致12碳脂肪酸在储存三酰甘油中大量积累 |
| 拟南芥（Arabidopsis） | 聚羟基丁酸酯（PHB）合成 | 乙酰乙酰CoA还原酶基因和PHB合酶基因（来自Alcaligenes eutrophus） | 乙酰乙酰CoA还原酶；PHB合酶 | 催化 | 转基因拟南芥产生PHB约0.1 mg/g组织，颗粒存在于细胞质、细胞核和液泡 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 萜类合成 | Fusarium sporotrichoides trichodiene synthase cDNA | 倍半萜环化酶（trichodiene合酶） | 催化 | 在叶片中检测到trichodiene含量为5-10 ng/g鲜重 |
| 玉米（maize）和拟南芥（Arabidopsis） | 花青素合成 | Lc转录因子基因；C1和R基因 | Lc转录因子；C1和R转录因子 | 调控 | 组成型表达Lc使玉米根等非正常组织累积高水平花青素；C1和R在拟南芥中激活非正常组织色素积累 |
| 颠茄（Atropa belladonna） | 托烷生物碱合成 | 天仙子（Hyoscyamus niger）hyoscyamine 6β-羟化酶基因 | 天仙子胺6β-羟化酶 | 催化 | 组成型表达使叶片几乎专一积累东莨菪碱 |
| 烟草（Nicotiana tabacum）愈伤组织 | 芪类合成 | 花生（Arachis hypogaea）stilbene synthase基因 | 芪合酶（stilbene synthase） | 催化 | 经诱导后产生白藜芦醇（resveratrol） |
| 黄花烟草（Nicotiana rustica）根培养 | 烟碱生物合成 | 酿酒酵母鸟氨酸脱羧酶基因 | 鸟氨酸脱羧酶 | 催化 | 在CaMV 35S启动子控制下表达，腐胺和烟碱含量仅加倍，表明有其他限速步骤 |
关键发现
- 玉米SPS cDNA在转基因番茄中表达使叶片蔗糖含量增加50%，淀粉相应减少
- 表达大肠杆菌突变ADPGPP基因的马铃薯块茎淀粉和干物质含量提高
- 反义抑制ADPGPP使马铃薯淀粉降至对照的2-5%，蔗糖升高至对照的6倍，葡萄糖升高至8倍
- 反义GBSS使马铃薯直链淀粉从21%降至几乎为零
- 导入Klebsiella pneumoniae CD转移酶的马铃薯块茎中约0.001-0.01%的淀粉转化为环糊精
- 表达细菌甘露醇1-磷酸脱氢酶的烟草积累甘露醇达6 μmol g^-1鲜重，在含250 mM NaCl的培养基中生长速率显著高于对照
- 反义硬脂酰-ACP脱饱和酶使油菜种子硬脂酸水平大幅提高
- 导入加州月桂硫酯酶的转基因拟南芥和B. nasus累积高水平12碳脂肪酸
- 表达Alcaligenes eutrophus的乙酰乙酰CoA还原酶和PHB合酶在拟南芥中产生约0.1 mg/g组织的聚羟基丁酸酯
- 表达真菌trichodiene合酶的烟草叶片检测到trichodiene含量为5-10 ng/g鲜重
- 酵母鸟氨酸脱羧酶基因在N. rustica根培养中使烟碱含量仅加倍，表明其他因素限制代谢流。
研究结论
尽管目前成功案例相对较少，但现有证据表明利用基因工程方法增强或赋予转基因植物经济或农艺上有价值化合物的生产通常是可行的，主要限制因素是可用于生物合成途径的结构基因和调控基因数量有限。