Manipulation of Carotenoid Content in Plants to Improve Human Health
- 作者
- Enriqueta Alós, María Jesús Rodrigo, Lorenzo Zacarias
- DOI
- 10.1007/978-3-319-39126-7_12
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过代谢工程和常规育种提高农作物中类胡萝卜素含量和组成，以改善人类营养健康，尤其是缓解维生素A缺乏及相关疾病。
研究策略
综述类胡萝卜素生物合成途径及关键调控基因，总结利用遗传工程（过表达/沉默特定基因）和传统育种（生物强化）手段在多种重要农作物中提高类胡萝卜素含量与组成的研究进展。
核心内容
该综述系统总结了利用代谢工程和传统育种手段改良农作物类胡萝卜素含量与组成的研究进展。类胡萝卜素是人体维生素A的重要前体，其中β-胡萝卜素维生素A活性最高，而β-隐黄质和α-胡萝卜素约为其一半。作者梳理了类胡萝卜素生物合成途径中的关键酶与调控基因，重点介绍了在多种重要作物中通过过表达八氢番茄红素合酶（PSY）及细菌来源的CrtB、CrtI等基因、利用RNAi沉默羟化酶或调控Or基因等策略实现生物强化的典型案例。在具体成果方面，油菜籽中表达细菌类胡萝卜素基因使类胡萝卜素含量在某些品系中提升高达62倍；大豆种子特异性表达PSY和crt基因使β-胡萝卜素含量提高150倍；番茄果实过表达PSY致β-胡萝卜素提高2.5倍。以Golden Rice为代表，通过引入PSY和LCFN显著提高β-胡萝卜素含量，成为缓解维生素A缺乏的成功范例。这些结果表明，精确调控类胡萝卜素合成途径关键节点可有效提升作物营养品质，为改善人类营养健康提供了可行策略。
创新点
系统归纳了多种作物（水稻、番茄、马铃薯、油菜、大豆、玉米等）中通过过表达PSY、细菌CrtB/CrtI、利用RNAi沉默羟化酶或调控Or基因等策略成功实现类胡萝卜素生物强化的案例，并以Golden Rice作为经典范例。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻 (Oryza sativa) | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 来源于烟草，在金色水稻中过表达以提高β-胡萝卜素 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 类胡萝卜素生物合成 | LCFN | 番茄红素环化酶 | 催化 | 来源于本氏烟，与PSY共表达 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 果实特异性表达，β-胡萝卜素提高2.5倍 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成 | DET1 | DET1 (De-etiolated 1) | 调控 | RNAi沉默增强类胡萝卜素和黄酮含量 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum) | 类胡萝卜素生物合成 | LCYE | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 沉默LCYE可提高β-胡萝卜素积累 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum) | 类胡萝卜素生物合成 | BCH | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 沉默BCH增加总类胡萝卜素和β-胡萝卜素水平 |
| 大豆 (Glycine max) | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 种子特异性表达，β-胡萝卜素提高150倍 |
| 油菜 (Brassica napus) | 类胡萝卜素生物合成 | CrtB | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 细菌基因，在种子中表达使类胡萝卜素提高3-4倍 |
| 油菜 (Brassica napus) | 类胡萝卜素生物合成 | CrtI | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 细菌基因，与CrtB协同提高类胡萝卜素含量 |
| 木薯 (Manihot esculenta) | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 单核苷酸多态性驱动维生素A原积累 |
| 玉米 (Zea mays) | 类胡萝卜素生物合成 | PSY1 | 八氢番茄红素合酶1 | 催化 | 基因组关联分析揭示的维生素A强化靶点 |
| 花椰菜 (Brassica oleracea var. botrytis) | 类胡萝卜素生物合成 | Or | DnaJ cysteine-rich domain-containing protein | 调控 | 促进β-胡萝卜素积累 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum) | 类胡萝卜素生物合成 | Or | DnaJ cysteine-rich domain-containing protein | 调控 | 过表达增强类胡萝卜素积累和储藏稳定性 |
关键发现
- β-胡萝卜素具有最高的维生素A活性，β-隐黄质和α-胡萝卜素约为其一半
- 通过表达细菌类胡萝卜素基因，油菜籽中类胡萝卜素含量提高3-4倍，某些品系中达62倍
- 大豆种子特异性表达PSY和crt基因使β-胡萝卜素含量提高150倍
- 番茄果实过表达PSY使β-胡萝卜素提高2.5倍，总类胡萝卜素提高1.6-1.7倍
- Golden Rice通过引入PSY和LCFN显著提高β-胡萝卜素，成为改善维生素A缺乏的成功案例。
研究结论
类胡萝卜素生物合成途径的关键步骤已在多种植物中阐明，通过精确调控特定合成酶或调控因子，可在农业和营养重要作物中有效提高目标类胡萝卜素含量，从而改善人类营养和健康。