Metabolic engineering of ketocarotenoid biosynthesis in leaves and flowers of tobacco species

作者: Tanja Gerjets, Manuela Sandmann, Changfu Zhu, Gerhard Sandmann
单位: Molecular Biosciences, J.W. Goethe Universität, Frankfurt/M., Germany; School of Life Sciences, Northeast Normal University, Changchun, China
杂志: Biotechnology Journal（2007）
DOI: 10.1002/biot.200700040
所属领域: 代谢工程
关键词: 4-ketolutein4-ketozeaxanthinKetolase genes crtO and crtWNectary carotenoidsNicotiana glaucaNicotiana tabacumadinoxanthin
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解决的核心问题

通过基因工程在烟草属植物的叶和花中合成酮类胡萝卜素（尤其是虾青素），因为大多数植物缺乏酮类胡萝卜素生物合成能力，而常规化学合成成本高。

研究策略

将蓝藻酮酶基因crtO或crtW转化到烟草（Nicotiana glauca和Nicotiana tabacum），并结合已有的羟化酶基因crtZ，利用N. tabacum的蜜腺组织作为花叶绿体模型，通过共表达优化酮化步骤。

研究路线图

100%

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核心内容

该研究通过代谢工程在烟草属植物的叶、花和蜜腺中实现了酮类胡萝卜素的异源合成。研究者将蓝藻来源的酮酶基因crtO或crtW转化至烟草（Nicotiana glauca和Nicotiana tabacum），并与羟化酶基因crtZ共表达以优化酮化步骤。结果显示，在N. glauca花瓣中表达crtW后，4-酮玉米黄质含量最高达56 μg/g干重；在N. tabacum中单独表达crtO使蜜腺总类胡萝卜素从315.8 μg/g增至596.5 μg/g干重，其中酮类衍生物占43.5%；共表达crtZ和crtO后，蜜腺总类胡萝卜素进一步增至839.2 μg/g干重，较野生型提升2.66倍，4-酮玉米黄质达108 μg/g干重。叶片中酮类组分约占4.9%，双转化株中非酯化酮类比例增加。研究首次在花瓣中实现酮类胡萝卜素的基因工程合成，表明组合酮酶与羟化酶是提高花叶绿体系统产量的有效策略；但4-酮玉米黄质转化为虾青素的最终步骤仍受限，建议采用来自Xanthophyllomyces dendrorhous的双功能羟化酶/酮酶并在强质体特异性启动子下表达以突破瓶颈。

创新点

首次在花瓣中实现酮类胡萝卜素的基因工程合成；在烟草叶片和蜜腺中鉴定到4-ketolutein及其酯；通过组合酮酶和羟化酶基因使蜜腺总类胡萝卜素含量增加2.5倍以上。

研究对象（3）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Nicotiana glauca	类胡萝卜素生物合成	crtW	CrtW	催化	来自Nostoc 73102，在花瓣中表达产生4-酮玉米黄质（最高56 μg/g dw）
Nicotiana tabacum cv. SR1	类胡萝卜素生物合成	crtO	CrtO	催化	来自Synechocystis，在叶片和蜜腺中表达产生多种酮类胡萝卜素，蜜腺总类胡萝卜素增至596.5 μg/g dw
Nicotiana tabacum cv. SR1（crtZ转基因系crtZU3）	类胡萝卜素生物合成	crtZ	CrtZ	催化	来自Erwinia uredovora，与crtO共表达使蜜腺总类胡萝卜素达839.2 μg/g dw，酮类比例提高

关键发现

在N. glauca花瓣中表达crtW后，4-酮玉米黄质（4-ketozeaxanthin）含量最高达56 μg/g dw
在N. tabacum中表达crtO使蜜腺总类胡萝卜素从315.8 μg/g dw增至596.5 μg/g dw（近2倍），其中酮类衍生物占总类胡萝卜素的43.5%
共表达crtZ和crtO使蜜腺总类胡萝卜素增至839.2 μg/g dw，较野生型增加2.66倍，其中4-酮玉米黄质达108 μg/g dw
叶片中酮类胡萝卜素约占4.9%
在crtZ/crtO双转化株的蜜腺中，非酯化酮类胡萝卜素比例增加，酯化形式减少。

研究结论

组合酮酶和羟化酶基因是提高花叶绿体系统中酮类胡萝卜素产量的有效策略，该策略可应用于N. glauca花瓣；但将4-酮玉米黄质转化为虾青素的最后一步仍是限制步骤，建议使用来自Xanthophyllomyces dendrorhous的羟化酶/酮酶双功能酶（asy）并在强chromoplast特异性启动子下表达。