Recent advances in carotenoid biosynthesis, regulation and manipulation
- 作者
- Susanne Römer, Paul D. Fraser
- 杂志
- Planta（2005）
- DOI
- 10.1007/s00425-005-1533-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
类胡萝卜素生物合成途径的基因工程改造与调控机制研究，旨在提高作物中类胡萝卜素含量及改善营养品质和抗逆性。
研究策略
综述类胡萝卜素生物合成途径的基因克隆、代谢工程策略（过表达、反义抑制、多基因共转化、组织特异性表达等）以及调控机制（光信号、发育、QTL等）的最新进展。
核心内容
该综述系统梳理了类胡萝卜素生物合成途径的基因工程改造与调控研究进展。通过过表达、反义抑制、多基因共转化及组织特异性表达等策略，多个作物中实现了类胡萝卜素含量的显著提升。代表性成果包括：在马铃薯块茎中抑制玉米黄质环氧酶使玉米黄质浓度提高高达130倍；在番茄中过表达番茄红素环化酶显著增加β-胡萝卜素含量；在拟南芥和烟草中过表达β-胡萝卜素羟化酶或细菌crtZ则增强了植株对UV及氧化胁迫的耐受性。此外，在烟草和拟南芥中表达细菌crtO可合成酮式类胡萝卜素，而三基因构建体在甘蓝型油菜种子中的效果并不优于单独表达细菌PSY。Or基因突变的发现解释了花椰菜中β-胡萝卜素异常积累的机制。这些结果表明类胡萝卜素代谢工程已能有效提升作物营养品质和抗逆性，但其调控网络仍不清晰，未来需借助基因组学和功能基因组学手段识别关键调控基因，并整合非转基因与转基因策略实现作物改良。
创新点
总结了多基因转化策略（如三基因构建体）、黄金水稻的工程化、酮式类胡萝卜素的合成、Or基因的鉴定以及通过QTL定位辅助育种等创新点。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄果实 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | phytoene synthase | 催化 | 果实特异性过表达提高番茄红素和β-胡萝卜素含量；组成型过表达导致矮化等多效性 |
| 番茄果实 | 类胡萝卜素生物合成 | lycopene cyclase | lycopene cyclase | 催化 | 过表达不同来源的番茄红素环化酶显著提高β-胡萝卜素含量 |
| 马铃薯块茎 | 叶黄素循环 | zeaxanthin epoxidase | zeaxanthin epoxidase | 催化 | 反义抑制及共抑制使玉米黄质含量增加高达130倍 |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素生物合成 | β-carotene hydroxylase | β-carotene hydroxylase | 催化 | 过表达增强胁迫耐受性；两个β-羟化酶可互相补偿 |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素生物合成 | ε-hydroxylase | ε-hydroxylase | 催化 | 通过T-DNA敲除突变体研究确认β-羟化酶也具ε-羟化活性 |
| 烟草 | 类胡萝卜素生物合成 | crtZ | bacterial carotene hydroxylase | 催化 | 表达细菌crtZ增强烟草UV耐受性 |
| 烟草和拟南芥 | 酮式类胡萝卜素合成 | crtO | carotene oxygenase | 催化 | 表达产生虾青素等酮式类胡萝卜素 |
| 甘蓝型油菜种子 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY, phytoene desaturase, lycopene cyclase | phytoene synthase, phytoene desaturase, lycopene cyclase | 催化 | 三基因构建体相对单独细菌PSY几乎没有改善总类胡萝卜素含量 |
| 花椰菜 | 类胡萝卜素生物合成 | Or | Or protein | 调控 | Or基因突变导致β-胡萝卜素异常积累 |
关键发现
- 在马铃薯块茎中，通过反义抑制和共抑制玉米黄质环氧酶，玉米黄质浓度增加高达130倍
- 在番茄中，过表达不同番茄红素环化酶显著提高β-胡萝卜素含量
- 过表达β-胡萝卜素羟化酶增强拟南芥和烟草的胁迫耐受性
- 在烟草中表达细菌crtZ增强UV耐受
- 在烟草和拟南芥中表达crtO产生酮式类胡萝卜素
- 三基因构建体在甘蓝型油菜种子中相对单独细菌PSY几乎没有改善
- Or基因突变导致花椰菜β-胡萝卜素异常积累。
研究结论
类胡萝卜素生物合成途径的基因工程已成功用于提高作物营养品质和抗逆性，但调控网络仍不清楚；未来的研究将借助基因组学/功能基因组学识别调控基因，并整合非GM和GM手段改善作物。