Genetic Engineering to Enhance Crop-Based Phytonutrients (Nutraceuticals) to Alleviate Diet-Related Diseases
- 作者
- Autar K. Mattoo, Vijaya Shukla, Tahira Fatima, Avtar K. Handa, Surender K. Yachha
- 杂志
- Bio-Farms for Nutraceuticals: Functional Food and Safety Control（2010）
- DOI
- 10.1007/978-1-4419-7347-4_10
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
作物中天然植物营养素含量不足以满足推荐日摄入量（RDA），导致饮食相关疾病，需通过基因工程提高有益营养素并降低有害成分。
研究策略
利用代谢工程和基因工程策略，如过表达关键酶、多基因共转化、RNAi沉默负调控因子或有害成分基因，改造水稻、玉米、番茄等作物的代谢通路，定向增加蛋白质、必需氨基酸、类胡萝卜素、叶酸、维生素C、多酚等营养素的积累。
研究路线图
核心内容
该研究系统综述了通过基因工程策略提升作物中植物营养素含量以缓解饮食相关疾病的研究进展。作者综合利用过表达关键酶、多基因共转化以及RNAi沉默负调控因子等手段，对水稻、玉米、番茄等作物的代谢通路进行定向改造，旨在使有益营养素积累量接近推荐日摄入量。多项关键结果展示了显著的改良效果：转基因玉米胚乳通过引入四基因同时积累β-胡萝卜素59.32 μg/gDW和维生素C 106.94 μg/gDW；通过RNAi抑制玉米LKR/SDH使游离赖氨酸从30 ppm增至约650 ppm，联合CordapA表达后进一步达到4000 ppm，较对照提高40倍；水稻共表达GTPCHI和ACDS使叶酸含量提升约100倍；番茄RNAi抑制DET1后类胡萝卜素和类黄酮含量提高2倍以上。研究证实分子工程能显著提升主粮和果蔬作物中多种营养素水平，部分已接近RDA，同时可降低过敏原等有害成分，为预防和缓解营养缺乏相关疾病提供了可行途径。
创新点
['提出了通过遗传改良实现作物营养素接近RDA的新方案', '综合利用过表达、沉默和共表达策略', '开发了富含多种维生素的转基因玉米等实例']
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻 (rice) | 谷蛋白合成 | GluB | 谷蛋白 | 调控 | 通过RNAi沉默GluB，降低谷蛋白含量，获得超低谷蛋白水稻 |
| 玉米 (corn) | 赖氨酸降解 | LKR/SDH | 赖氨酸-酮戊二酸还原酶/酵母氨酸脱氢酶 | 催化 | RNAi抑制后游离赖氨酸增加约20倍 |
| 玉米 (corn) | 赖氨酸生物合成 | CordapA | 二氢吡啶二羧酸合酶 | 催化 | 来自谷氨酸棒杆菌，与LKR/SDH沉默联用使游离赖氨酸达4000 ppm |
| 水稻 (rice) | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 来自水仙，使水稻胚乳积累八氢番茄红素 |
| 玉米 (corn) | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | 八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 来自欧文氏菌，与psy共表达提高β-胡萝卜素 |
| 番茄 (tomato) | 类胡萝卜素生物合成 | tcy-b | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 过表达使番茄红素几乎完全转化为β-胡萝卜素 |
| 番茄 (tomato) | 光信号转导/类胡萝卜素和类黄酮 | DET1 | DET1蛋白 | 调控 | RNAi抑制DET1提高类胡萝卜素和类黄酮含量 |
| 水稻 (rice) | 叶酸生物合成 | GTPCHI, ACDS | GTP环化水解酶I, 氨基脱氧分支酸合酶 | 催化 | 叶酸含量增加约100倍（38.3 vs 0.38 nmol/gFW） |
| 玉米 (corn) | 抗坏血酸循环 | DHAR | 脱氢抗坏血酸还原酶 | 催化 | 抗坏血酸含量提高约2倍（80 vs 42 nmol/gFW） |
| 番茄 (tomato) | 多胺代谢 | SAMDC | S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶 | 催化 | 来自酵母，促进多胺积累并影响类胡萝卜素水平 |
| 马铃薯 (potato) | 类胡萝卜素生物合成 | Or | Or蛋白 (DnaJ富含半胱氨酸结构域蛋白) | 调控 | 来自花椰菜，促进β-胡萝卜素积累 |
| 水稻 (rice) | 铁/锌积累 | ferritin | 铁蛋白 | 区室化 | 表达大豆铁蛋白提高铁和锌积累 |
关键发现
['转基因玉米胚乳通过引入四基因（β-胡萝卜素、抗坏血酸、叶酸途径）同时积累β-胡萝卜素59.32 μg/gDW、番茄红素22.78 μg/gDW、维生素C 106.94 μg/gDW和玉米黄质35.76 μg/gDW', '通过RNAi抑制玉米LKR/SDH，游离赖氨酸增至约650 ppm，而野生型仅30 ppm（约20倍）', '联合LKR/SDH沉默与CordapA表达，玉米游离赖氨酸达4000 ppm，对照为100 ppm（40倍）', '水稻共表达GTPCHI和ACDS使叶酸含量达38.3 nmol/gFW，对照0.38 nmol/gFW（约100倍）', '玉米表达DHAR后抗坏血酸约80 nmol/gFW，对照42 nmol/gFW，DHAR活性提高20-106倍', '番茄RNAi抑制DET1使类胡萝卜素和类黄酮含量提高2倍以上']
研究结论
分子工程能够显著提高主粮和果蔬作物中有益植物营养素水平，部分达到接近RDA；同时可降低过敏原等有害成分，为预防和缓解饮食相关疾病提供了新途径。