Modern Breeding and Biotechnological Approaches to Enhance Carotenoid Accumulation in Seeds
- 作者
- M. L. Federico, M. A. Schmidt
- DOI
- 10.1007/978-3-319-39126-7_13
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过现代育种和生物技术手段提高作物种子中类胡萝卜素（特别是β-胡萝卜素、玉米黄质、虾青素）的积累，以改善人类营养健康。
研究策略
综述传统育种和转基因工程策略，包括过表达关键合成酶基因（如PSY、CRTI）、抑制分支酶（如LCYE）、调控储存结构（OR基因）、减少降解（CCD基因）、利用天然遗传变异以及组合多基因协同策略。
研究路线图
核心内容
该综述系统梳理了提升作物种子类胡萝卜素含量的现代育种与代谢工程策略。作者从合成通量、储存能力和降解代谢三个维度归纳了可行的干预靶点：一方面通过异源表达关键合成酶（如玉米PSY和细菌CRTI）或增强MEP前体供给（如DXS过表达）提高合成效率，另一方面利用OR基因扩充类胡萝卜素储存结构，同时抑制CCD家族降解酶以减缓代谢损耗。代表性的结果包括黄金大米2中β-胡萝卜素提高23倍，拟南芥中CCD4失活使β-胡萝卜素增加8.4倍，而水稻DXS过表达使总类胡萝卜素提升2.7至5.8倍。此外，利用天然等位变异和RNAi/miRNA调控同样可奏效，如油菜中miR156b过表达使β-胡萝卜素增加4倍。文章强调，将增加前体、强化合成、构建储存库与抑制降解相结合的组合策略最为有效，其可行性在多个物种中已被证实，最高可在番茄果实中实现16.1 mg/g干重的虾青素积累，为通过生物强化改善人群微量营养素缺乏提供了坚实的技术路径。
创新点
系统总结了同时增强前体供给、合成效率、储存能力并减少降解的综合生物强化策略，以及利用天然等位变异和RNAi/miRNA调控实现种子类胡萝卜素含量提升的多种创新途径。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Oryza sativa | 类胡萝卜素生物合成 | PSY (ZmPSY) | Phytoene synthase | 催化 | 来自玉米，黄金大米2的关键基因，过表达使β-胡萝卜素显著增加 |
| Oryza sativa | 类胡萝卜素生物合成 | CRTI | Carotene desaturase | 催化 | 来自Erwinia uredovora，与ZmPSY协同作用提高β-胡萝卜素积累 |
| Oryza sativa | 甲基赤藓醇磷酸(MEP)通路 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 拟南芥DXS过表达使总类胡萝卜素提高2.7-5.8倍 |
| Oryza sativa | 类胡萝卜素储存 | OR | Orange蛋白 | 区室化 | 拟南芥OR基因过表达创造类胡萝卜素储存库，使总类胡萝卜素提高2.1-4.7倍 |
| Zea mays | 类胡萝卜素生物合成 | PSY1（y1） | Phytoene synthase 1 | 催化 | PSY1转录水平与胚乳类胡萝卜素积累正相关 |
| Zea mays | 类胡萝卜素生物合成 | LCYE | Lycopene epsilon cyclase | 催化 | 低表达/活性变异可使β-胡萝卜素含量差异达3倍 |
| Zea mays | 类胡萝卜素降解 | CCD1 | Carotenoid cleavage dioxygenase 1 | 催化 | CCD1表达与籽粒类胡萝卜素含量负相关 |
| Arabidopsis thaliana | 类胡萝卜素降解 | CCD4 | Carotenoid cleavage dioxygenase 4 | 催化 | 功能丧失使β-胡萝卜素水平增加8.4倍 |
| Brassica napus | 光信号调控与类胡萝卜素合成 | DET1 | DE-ETIOLATED1 | 调控 | RNAi抑制DET1使β-胡萝卜素提高12倍 |
| Brassica napus | 发育调控与类胡萝卜素积累 | miR156b | 无（非编码RNA） | 调控 | 过表达AtmiR156b使种子β-胡萝卜素增加达4倍 |
| Zea mays | 酮类胡萝卜素生物合成 | BKT | β-胡萝卜素酮化酶 | 催化 | 与β-胡萝卜素羟化酶竞争底物，影响虾青素产量 |
| Glycine max | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | Phytoene synthase | 催化 | 来自Pantoea ananatis，叶绿体靶向表达，积累β-胡萝卜素 |
| Glycine max | 酮类胡萝卜素生物合成 | BKT | β-胡萝卜素酮化酶 | 催化 | 来自Brevundimonas，种子特异积累虾青素7 μg/g和角黄素52 μg/g |
| Nicotiana tabacum | 酮类胡萝卜素生物合成 | BKT | β-胡萝卜素酮化酶 | 催化 | 来自Paracoccus sp.，花蜜中虾青素占类胡萝卜素的5%，达64 μg/g |
| Solanum lycopersicum | 酮类胡萝卜素生物合成 | BKT | β-胡萝卜素酮化酶 | 催化 | 藻源BKT和BHY表达使果实虾青素达16.1 mg/g干重 |
| Arabidopsis thaliana | 酮类胡萝卜素生物合成 | BKT | β-胡萝卜素酮化酶 | 催化 | 来自Chlamydomonas reinhardtii的BKT使干叶中虾青素达2 mg/g |
关键发现
- 黄金大米2通过玉米PSY和CRTI使β-胡萝卜素提高23倍
- 玉米LCYE自然变异导致β-胡萝卜素最多3倍差异
- 拟南芥CCD1功能丧失使种子总类胡萝卜素增加40%
- CCD4失活使β-胡萝卜素增加8.4倍
- 水稻过表达DXS使总类胡萝卜素增加2.7-5.8倍
- 过表达OR基因使总类胡萝卜素增加2.1-4.7倍
- 油菜DET1抑制使β-胡萝卜素提高12倍
- 过表达miR156b使β-胡萝卜素增加4倍
- 玉米杂交获得56 μg/g玉米黄质
- 烟草中表达细菌BKT和BHY使花蜜中虾青素达64 μg/g
- 番茄果实中虾青素达16.1 mg/g干重
- 大豆种子中虾青素达7 μg/g、角黄素达52 μg/g
- 拟南芥中来源于衣藻的BKT使虾青素达2 mg/g干重。
研究结论
通过代谢工程和现代育种策略可以显著提高作物种子中类胡萝卜素含量，组合策略（增加前体、增强合成、减少降解、创造储存库）是有效的生物强化途径，对改善营养不良人群健康具有重要作用。