Genetic Engineering of a Zeaxanthin-rich Potato by Antisense Inactivation and Co-suppression of Carotenoid Epoxidation
- 作者
- S. Römer, J. Lübeck, F. Kauder, S. Steiger, C. Adomat, G. Sandmann
- 单位
- Universität Konstanz, Lehrstuhl für Physiologie und Biochemie der Pflanzen, Fachbereich Biologie, P.O. Box 5560, D-78457 Konstanz, Germany; SaKa-Ragis Pflanzenzucht GbR, Breeding Station Windeby, D-24340 Windeby, Germany; Biosynthesis Group, Botanical Institute, J.W. Goethe Universität, P.O. Box 111932, D-60054 Frankfurt, Germany
- 杂志
- Metabolic Engineering（2002）
- DOI
- 10.1006/mben.2002.0234
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
膳食中玉米黄质来源有限，需要通过代谢工程提高主粮作物马铃薯块茎中的玉米黄质含量
研究策略
利用块茎特异性GBSS启动子驱动马铃薯内源玉米黄质环氧酶（zep）cDNA片段的正义或反义构建，通过农杆菌介导转化马铃薯品种Baltica和Freya，利用反义RNA和共抑制机制抑制zep基因表达，阻断玉米黄质向紫黄质的环氧化反应，从而促进玉米黄质积累
研究路线图
核心内容
本研究通过农杆菌介导转化，在马铃薯品种Baltica和Freya中利用块茎特异性GBSS启动子驱动玉米黄质环氧酶（zep）cDNA片段的正义或反义构建，以反义RNA和共抑制机制阻断玉米黄质向紫黄质的环氧化反应。结果显示，转基因块茎中玉米黄质含量提高4至130倍，最高达40.1 μg/g干重（line 47-18），占总类胡萝卜素比例超过60%，玉米黄质/紫黄质比值最高达24；总类胡萝卜素含量最高提高5.7倍（达60.8 μg/g干重）。ABA含量保持不变，叶片类胡萝卜素组成未受影响。该操作意外上调整个类胡萝卜素合成通路，6周龄块茎中psy转录水平较野生型提高约5-6倍。共抑制系比反义系更有效地抑制环氧化反应。该策略成功获得富含玉米黄质的马铃薯块茎，为预防年龄相关性黄斑变性等疾病提供了可行的膳食来源，展示了对主粮作物进行靶向代谢工程改造的潜力。
创新点
首次在马铃薯中通过失活玉米黄质环氧酶获得富含玉米黄质的转基因品系；利用块茎特异性启动子实现对块茎的靶向调控而不影响叶片光合色素组成；发现该操作意外上调整个类胡萝卜素合成通路，尤其是psy基因表达
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Solanum tuberosum cv. Baltica | 类胡萝卜素生物合成 | zep | 玉米黄质环氧酶 | 催化 | 通过反义RNA和共抑制失活，阻断玉米黄质向紫黄质转化 |
| Solanum tuberosum cv. Freya | 类胡萝卜素生物合成 | zep | 玉米黄质环氧酶 | 催化 | 通过反义RNA和共抑制失活，阻断玉米黄质向紫黄质转化 |
| Solanum tuberosum (cv. Baltica/cv. Freya) | 类胡萝卜素生物合成 | psy | 八氢番茄红素合成酶 | 催化 | 转基因块茎中表达上调，6周龄时转录水平比野生型高5-6倍 |
| Solanum tuberosum (cv. Baltica/cv. Freya) | 类胡萝卜素生物合成 | bhy | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 表达水平在6周龄块茎中略有升高，8周龄时明显诱导 |
| Solanum tuberosum (cv. Baltica/cv. Freya) | 甲基赤藓醇磷酸（MEP）通路 | dxs | 脱氧木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 转录水平在野生型和转基因块茎中无显著差异 |
关键发现
- 转基因马铃薯块茎中玉米黄质含量提高4至130倍，最高达40.1 μg/g干重（line 47-18）
- 总类胡萝卜素含量最高提高5.7倍（达60.8 μg/g干重）
- 玉米黄质占总类胡萝卜素比例超过60%，玉米黄质/紫黄质比值最高达24
- ABA含量保持不变（约223 pmol/g鲜重）
- α-生育酚含量在47-18和48-20中分别升至1.29和1.08 μg/g鲜重（野生型为0.42 μg/g鲜重）
- 6周龄块茎中psy转录水平较野生型提高约5-6倍，bhy略微上调，dxs无明显变化
- 共抑制系比反义系更有效地抑制环氧化反应
研究结论
通过反义和共抑制失活玉米黄质环氧酶，成功获得了富含玉米黄质的马铃薯块茎，且不影响植物生长、ABA含量和叶片类胡萝卜素组成。该策略可显著提高主粮作物的玉米黄质含量，为预防年龄相关性黄斑变性等疾病提供膳食来源