Metabolic Engineering of Potato Carotenoid Content through Tuber-Specific Overexpression of a Bacterial Mini-Pathway
- 作者
- Gianfranco Diretto, Salim Al-Babili, Raffaela Tavazza, Velia Papacchioli, Peter Beyer, Giovanni Giuliano
- 单位
- Ente per le Nuove Tecnologie, l'Energia e l'Ambiente (ENEA), Casaccia Research Center, Roma, Italy; Faculty of Biology, University Freiburg, Freiburg, Germany
- 杂志
- PLoS ONE（2007）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0000350
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
马铃薯块茎中维生素A原（β-胡萝卜素）含量极低，难以满足人体营养需求，需要提高其类胡萝卜素含量。
研究策略
将来源于欧文氏菌（Erwinia herbicola）的细菌微型通路基因（CrtB、CrtI、CrtY）在马铃薯块茎特异性启动子或组成型启动子控制下表达，并以RbcS转运肽引导蛋白进入质体，系统比较不同启动子/基因组合对类胡萝卜素积累的影响。
研究路线图
核心内容
本研究通过在马铃薯品种Desirée中块茎特异或组成型表达来源于欧文氏菌的类胡萝卜素微型通路基因（crtB、crtI、crtY），并利用RbcS转运肽引导蛋白进入质体，系统比较了六种启动子/基因组合对块茎类胡萝卜素积累的影响。共获得86个独立转基因株系，结果显示组成型35S启动子表达crtI/crtY的pK系列转化效率下降且叶片类胡萝卜素含量降低，而三基因均由Patatin块茎特异性启动子控制的最优组合pP-YBI实现了显著的营养强化。其中“金色”株系P-YBI 17和30的块茎总类胡萝卜素增加约20倍，达114 μg/g干重，β-胡萝卜素含量增加3600倍以上至47 μg/g干重，总维生素A原类胡萝卜素达53 μg/g干重，同时叶黄素和紫黄质分别增加30倍和31.8倍。这些数值显著优于同期“黄金大米2号”，为当时四大主粮中的最高水平，且八氢番茄红素积累至19.5 μg/g干重表明脱氢酶仍是限速步骤。该工作证明块茎特异性表达细菌微型通路可高效提升马铃薯维生素A原含量且不影响叶片表型，为主粮作物营养强化提供了可行策略。按6:1转化率计算，每日食用250克鲜重该马铃薯即可满足50%维生素A推荐摄入量。
创新点
首次系统比较了马铃薯中细菌类胡萝卜素微型通路三种基因的不同启动子组合；发现三基因均在块茎特异性启动子控制下可获得"金色"马铃薯，类胡萝卜素和β-胡萝卜素含量为当时所有主粮中的最高记录。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Solanum tuberosum (cv. Desirée) | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | phytoene synthase (八氢番茄红素合酶) | 催化 | 源自Erwinia herbicola，编码催化GGPP→八氢番茄红素 |
| Solanum tuberosum (cv. Desirée) | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | phytoene desaturase / carotene isomerase (八氢番茄红素脱氢酶/异构酶) | 催化 | 源自Erwinia herbicola，密码子优化，催化八氢番茄红素脱氢与异构化 |
| Solanum tuberosum (cv. Desirée) | 类胡萝卜素生物合成 | crtY | lycopene beta-cyclase (番茄红素β-环化酶) | 催化 | 源自Erwinia herbicola，催化番茄红素环化为β-胡萝卜素 |
| Solanum tuberosum (cv. Desirée) | 类胡萝卜素生物合成 | RbcS transit peptide | RbcS转运肽 | 区室化 | 用于将外源蛋白靶向质体 |
关键发现
- 在马铃薯品种Desirée中，共获得86个独立转基因株系，包含6种启动子/基因组合。pK系列（组成型35S启动子表达CrtI/CrtY）转化效率降低，叶片类胡萝卜素和叶绿素含量下降（如pK-YBI 41叶片总类胡萝卜素降至野生型的60%）。最优组合pP-YBI（三基因均受Patatin块茎特异性启动子控制）的"金色"株系P-YBI 17和30，块茎总类胡萝卜素增加约20倍，达114 μg/g干重
- β-胡萝卜素增加3600倍以上，达47 μg/g干重
- α-胡萝卜素达6 μg/g干重，总维生素A原类胡萝卜素（α-+β-胡萝卜素）达53 μg/g干重
- 叶黄素增加30倍，紫黄质增加31.8倍。此外，八氢番茄红素积累至19.5 μg/g干重，表明八氢番茄红素脱氢酶仍为限速步骤。该含量为当时四大主粮（小麦、水稻、玉米、马铃薯）中最高，优于"Golden Rice 2"（31 μg/g干重β-胡萝卜素）。以6:1的β-胡萝卜素向视黄醇转化率计算，每天250克（鲜重）"金色"马铃薯可提供50%的维生素A推荐日摄入量。
研究结论
通过块茎特异性过表达细菌CrtB-CrtI-CrtY微型通路，可大幅提高马铃薯块茎类胡萝卜素和β-胡萝卜素含量，且不影响叶片表型；该策略为马铃薯及其他主食作物维生素A营养强化提供了有效途径。