Transgenic expression of phytase in wheat endosperm increases bioavailability of iron and zinc in grains
- 作者
- Nabeela Abid, Asia Khatoon, Asma Maqbool, Muhammad Irfan, Aftab Bashir, Irsa Asif, Muhammad Shahid, Asma Saeed, Henrik Brinch-Pedersen, Kauser A. Malik
- 单位
- Department of Biological Sciences, Forman Christian College, Lahore, Pakistan; National Institute for Biotechnology and Genetic Engineering (NIBGE), Faisalabad, Pakistan; Food and Biotechnology Research Centre, PCSIR Laboratories Complex, Lahore, Pakistan; Department of Plant Biology, Danish Institute of Agricultural Sciences, Slagelse, Denmark
- 杂志
- Transgenic Research（2016）
- DOI
- 10.1007/s11248-016-9983-z
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
谷物中植酸螯合铁和锌，导致微量元素生物利用度低，造成缺铁缺锌营养缺乏；需要通过基因工程提高小麦籽粒中矿物质的生物利用度。
研究策略
构建密码子优化的 A. japonicus 植酸酶基因 phyA，融合植物 ER 信号肽，并利用 KDEL 留滞或去除 KDEL 实现内质网或质外体靶向；由大麦 D-hordein 和小麦 glutenin 启动子驱动胚乳特异表达，通过农杆菌介导转化两个小麦品种，筛选 T3 代转基因品系，分析植酸酶活性、植酸含量、铁锌生物利用度及营养组成。
核心内容
该研究通过农杆菌介导转化，将密码子优化的日本曲霉植酸酶基因phyA转入两个小麦品种，由大麦D-hordein和小麦谷蛋白启动子驱动胚乳特异表达，并比较了内质网滞留（KDEL）与质外体分泌两种靶向策略的效果。转基因T3代籽粒中植酸酶活性最高达8785.89 FTU，较对照提高18%–99%，植酸含量降低12%–76%，面粉中植酸降至0.69–0.99 g/kg。铁生物利用度在面团中提高18%–38%，在恰巴提（烹饪后）中提高31%–218%；锌生物利用度在面团中提高29%–99%，在恰巴提中提高4%–115%。值得注意的是，烹饪过程可进一步提升植酸酶的降解效果，生物可利用铁最高达每日推荐摄入量的52.14%，较非转基因高14.28%。籽粒蛋白质、脂肪、淀粉和麸质含量无显著变化。该策略通过在小麦胚乳中原位降解抗营养因子植酸，有效提高了铁锌的生物利用度，且不牺牲营养品质，为缓解谷物为主食人群的微量元素缺乏症提供了切实可行的遗传改良方案。
创新点
1. 利用胚乳特异启动子在小麦胚乳中表达 A. japonicus 植酸酶，实现原位降解植酸；2. 设计单基因和双基因构载体（ER 滞留和质外体分泌）比较表达效果；3. 首次系统评估了面粉、面团和恰巴提（烹饪后）中铁锌生物利用度的变化，证明烹饪可进一步提高真菌植酸酶作用效果。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 小麦 (Triticum aestivum) cv. Faisalabad-2008 和 Sahar-2006 | 植酸代谢 | phyA | 植酸酶 (phytase) | 催化 | 源自 Aspergillus japonicus，经密码子优化并融合 ER 信号肽，在小麦胚乳中表达降解植酸 |
| 小麦 (Triticum aestivum) | 植酸代谢 | D-hordein 启动子 | — | 调控 | 驱动 phyA 基因在胚乳中特异表达 |
| 小麦 (Triticum aestivum) | 植酸代谢 | glutenin 启动子 | — | 调控 | 驱动第二段 phyA 表达，用于双基因构载体 |
关键发现
- 植酸酶活性提高 18%–99%（T1 种子中为 40%–99%），最大活性为
- 89 FTU（P13），对照 Fsd08 和 Sah06 分别为
- 38 FTU 和
- 79 FTU；籽粒植酸含量降低 12%–76%，面粉中植酸降至
- 69–0.99 g/kg（约
- 59–99.44 mg/100g），对照为 112–122 mg/100g；面粉、面团和恰巴提中植酸含量分别为 65–100 mg/100g、62–82 mg/100g 和 58–65 mg/100g。铁生物利用度在面团中提高 18%–38%，在恰巴提中提高 31%–218%（最大
- 50%，E3Sah）；锌生物利用度在面团中提高 29%–99%，在恰巴提中提高 4%–115%（最大
- 99%，E2Sah）。植酸酶转录水平较对照提高 1–9 倍（E1Fsd 约 9 倍，E2Fsd 约 1 倍）。生物可利用铁达每日推荐摄入量的
- 14%，比非转基因高
- 28%；锌为
- 66%，高 4%。籽粒蛋白质、脂肪、淀粉和麸质含量在转基因与非转基因间无显著差异。
研究结论
通过在小麦胚乳中异源表达 A. japonicus 植酸酶，可有效降解植酸，显著提高铁和锌的生物利用度，且不改变籽粒主要营养成分，为改善缺铁缺锌人群的营养状况提供了实用策略。