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首創胚乳富含蝦青素水稻新種質 “赤晶米”

發布時間:2019-09-09 17:26 作者:admin 來源:未知 點擊: 字號:

  劉耀光院士團隊利用多基因代謝工程方法首創胚乳富含蝦青素的水稻新種質 “赤晶米”

  蝦青素(Astaxanthin),學名3,3’-二羥基-4,4’-二酮基-酮,β’-胡蘿卜素,是一類橙紅色的植物營養素(Phytonutrient),為類胡蘿卜素的最高級形式,在生物體具有超強的抗氧化性,其抗氧化活性是維生素E的550倍,對人體健康具有重要的保健作用,具有廣闊的應用前景和較高的經濟價值。自然界中,蝦青素主要是由一些藻類、細菌、浮游植物,利用β-類胡蘿卜素作為前體,在β-胡蘿卜素羥化酶(BHY)和β-類胡蘿卜素酮化酶(BKT)作用下合成的。高等動、植物都不能自身合成。三文魚、蝦、蟹等由于攝入含蝦青素的藻類或浮游生物而顯現出橙紅色。高等植物雖然具有豐富的β-類胡蘿卜素前體,但由于缺乏關鍵的β-類胡蘿卜素酮化酶(BKT),并不能合成蝦青素。

 

  目前,通過表達BKT基因,或BKT基因與BHY基因,已在煙草、番茄、土豆、玉米、生菜等具有β-類胡蘿卜素前體的植物中實現了蝦青素的合成。然而,由于水稻胚乳中完全缺乏類胡蘿卜素前體,其蝦青素合成的難度更大,真正有效的水稻胚乳蝦青素合成仍未見報道。盡管“黃金大米(Golden Rice)”【1】 已產生了多年,但是水稻類胡蘿卜素代謝工程研究進展依然緩慢。

  近日,華南農業大學生命科學學院、亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室劉耀光院士團隊在Molecular Plant上在線發表了題為 “From Golden Rice to aSTARice: bioengineering astaxanthin biosynthesis in rice endosperm” 的研究論文,利用高效的多基因載體系統TGSII(TransGene Stacking II),實現了在水稻胚乳中從頭合成蝦青素的營養強化(Biofortification)目標,培育出世界首例胚乳富含蝦青素的新型功能營養型水稻種質 “aSTARice,蝦青素米”,也稱“赤晶米”。

  水稻是一種重要的糧食作物和模式植物,同時其種子也是一種優良的生物反應器。該研究通過分析水稻類胡蘿卜素合成途徑基因的表達模式,發現大多數類胡蘿卜素合成的相關基因在水稻胚乳中處于不表達或低表達狀態。在此基礎上,結合對“黃金大米(Golden Rice)”的分析,確定了八氫番茄紅素合成酶基因(sZmPSY1)、八氫番茄紅素脫氫酶基因(sPaCrtI)、β-胡蘿卜素酮化酶基因(sCrBKT)和β-胡蘿卜素羥化酶基因(sHpBHY)四個類胡蘿卜素合成途徑的關鍵基因,利用水稻胚乳特異性啟動子和自主開發的高效多基因TGSII系統【2】,在水稻胚乳中重新構建了不同基因組合的類胡蘿卜素/酮式胡蘿卜素/蝦青素的生物合成途徑。

  (A)合成蝦青素的多基因載體結構;
(B)黃金大米GR,角黃素大米CR, 蝦青素大米AR。

  研究結果表明:雙基因(sZmPSY1和sPaCrtI),三基因(sZmPSY1, sPaCrtI和sCrBKT)和四基因(sZmPSY1, sPaCrtI, sCrBKT和sHpBHY)聚合轉化水稻,分別獲得了篩選標記刪除,富含黃色β-胡蘿卜素的黃金大米、橙紅色的角黃素大米和蝦青素大米新種質。從而證實,導入上述四個基因的最小組合就能夠在水稻胚乳中實現蝦青素的從頭生物合成,獲得富含高抗氧化活性蝦青素的蝦青素大米。

  (A)類胡蘿卜素成分的HPLC分析;
(B)類胡蘿卜素含量比較;
(C)抗氧化活性分析。

  綜上所述,該研究利用多基因代謝工程方法,成功實現了花青素的水稻胚乳合成,培育了一批營養價值高、色彩豐富的水稻新種質,為植物代謝工程、合成生物學和作物生物強化研究領域的發展提供了成功的范例和新策略。

  水稻胚乳中重構的類胡蘿卜素/角黃素/蝦青素的生物合成途徑

  該項成果是劉耀光院士團隊在2017年率先創制富含花青素的功能營養型水稻種質“紫晶米”【2】后,又一重要科研成果。華南農業大學生命科學學院、亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室劉耀光院士團隊骨干青年教師祝欽瀧副研究員為論文第一作者,劉耀光院士為論文的通訊作者,博士研究生曾棟昌和余穗澤為論文的共同第一作者。研究得到國家自然科學基金、廣東省公益與能力建設項目和農業部轉基因專項的資助。

  參考文獻

  【1】Paine, J.A., Shipton, C.A., Chaggar, S., Howells, R.M., Kennedy, M.J., Vernon, G., Wright, S.Y., Hinchliffe, E., Adams, J.L., Silverstone, A.L., Drake, R. (2005). Improving the nutritional value of Golden Rice through increased pro-vitamin A content. Nat. Biotechnol. 23: 482-487.

  【2】Zhu, Q., Yu, S., Zeng, D., Liu, H., Wang, H., Yang, Z., Xie, X., Shen, R., Tan, J., Li, H. et al. (2017). Development of “Purple Endosperm Rice” by Engineering Anthocyanin Biosynthesis in the Endosperm with a High-Efficiency Transgene Stacking System. Mol. Plant 10: 918-929.

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