Biosynthesis of β-carotene (provitamin A) in rice endosperm achieved by genetic engineering
- 作者
- Salim Al-Babili, Xudong Ye, Paola Lucca, Ingo Potrykus, Peter Beyer
- 单位
- University of Freiburg, Center for Applied Biosciences, D-79104 Freiburg, Germany; Institute for Plant Sciences, Swiss Federal Institute of Technology, CH-8092 Zurich, Switzerland
- 杂志
- Novartis Foundation Symposium 236（2001）
- DOI
- 10.1002/9780470515778.ch16
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
水稻胚乳缺乏维生素A原（β-胡萝卜素），导致以稻米为主食的人群维生素A缺乏症高发，需要通过基因工程在胚乳中建立β-胡萝卜素合成途径。
研究策略
利用农杆菌介导转化，将黄水仙（Narcissus pseudonarcissus）的phytoene synthase（psy）和lycopene β-cyclase（β-lyc）基因置于胚乳特异性谷蛋白启动子控制下，同时将细菌（Erwinia uredovora）的phytoene desaturase（crtI）基因置于组成型CaMV 35S启动子控制下，单次共转化导入水稻胚乳，以重建β-胡萝卜素生物合成途径。
研究路线图
核心内容
为解决水稻胚乳缺乏维生素A原导致的人群维生素A缺乏问题，该研究通过农杆菌介导的单次共转化，将黄水仙的psy和β-lyc基因置于胚乳特异性谷蛋白启动子下，细菌来源的crtI基因置于CaMV 35S启动子下，在水稻胚乳中重建β-胡萝卜素合成途径。结果显示，共转化效率为20%，获得黄色胚乳的转基因水稻，其中z11b系类胡萝卜素含量最高达1.6 μg/g胚乳，β-胡萝卜素含量在1.4–1.8 μg/g范围内。值得注意的是，仅psy和crtI即可驱动β-胡萝卜素及下游叶黄素合成，β-lyc并非必需；此外，CPTA处理使黄水仙类胡萝卜素含量增加2–3倍并显著提升相关基因表达，提示反式番茄红素可能通过反馈机制诱导内源基因。该工作首次在单次转化中完整建立胚乳β-胡萝卜素途径，获得的黄色胚乳水稻为缓解维生素A缺乏症提供了可行策略，但含量仍待优化，需进一步研究生物利用度、安全性评估及优良品种导入。
创新点
首次在单次转化中成功在水稻胚乳中建立完整的β-胡萝卜素合成途径；发现β-裂解酶并非必需，psy和crtI即可驱动β-胡萝卜素及下游叶黄素合成；提出反式番茄红素可能通过反馈机制诱导内源类胡萝卜素基因表达。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻 (Oryza sativa) 胚乳 | 类胡萝卜素生物合成途径 | psy | phytoene synthase | 催化 | 来自黄水仙（Narcissus pseudonarcissus），受胚乳特异性谷蛋白启动子控制，含转运肽导入质体，催化GGPP生成八氢番茄红素 |
| 水稻 (Oryza sativa) 胚乳 | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtI | phytoene desaturase (细菌) | 催化 | 来自Erwinia uredovora，受组成型CaMV 35S启动子控制，与豌豆Rubisco小亚基转运肽融合，能催化四步脱氢反应生成番茄红素 |
| 水稻 (Oryza sativa) 胚乳 | 类胡萝卜素生物合成途径 | β-lyc | lycopene β-cyclase | 催化 | 来自黄水仙，受谷蛋白启动子控制，含转运肽；实验证明并非必需，psy和crtI单独即可完成β-胡萝卜素合成 |
关键发现
- 获得黄色胚乳的转基因水稻，类胡萝卜素含量最高达1.6 μg/g胚乳（z11b系），接近2 μg/g的目标值
- 共转化效率为20%（60株中12株共转化）
- 单转化体种子呈3:1（有色/无色）分离
- CPTA处理使黄水仙花类胡萝卜素含量增加2-3倍，并显著提高类胡萝卜素合成相关mRNA和蛋白水平
- β-胡萝卜素含量在1.4–1.8 μg/g范围内。
研究结论
通过基因工程成功在水稻胚乳中从头建立了β-胡萝卜素生物合成途径，获得可产生维生素A原的黄色胚乳，为缓解维生素A缺乏症提供了可行方案；未来需进一步优化含量、研究生物利用度、进行安全性评估及将性状导入优良品种。