刘耀光院士团队利用多基因代谢工程方法首创胚乳富含虾青素的水稻新种质 “赤晶米”

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虾青素（Astaxanthin），学名3，3’-二羟基-4，4’-二酮基-酮，β’-胡萝卜素，是一类橙红色的植物营养素（Phytonutrient），为类胡萝卜素的最高级形式，在生物体具有超强的抗氧化性，其抗氧化活性是维生素E的550倍，对人体健康具有重要的保健作用，具有广阔的应用前景和较高的经济价值。自然界中，虾青素主要是由一些藻类、细菌、浮游植物，利用β-类胡萝卜素作为前体，在β-胡萝卜素羟化酶（BHY）和β-类胡萝卜素酮化酶（BKT）作用下合成的。高等动、植物都不能自身合成。三文鱼、虾、蟹等由于摄入含虾青素的藻类或浮游生物而显现出橙红色。高等植物虽然具有丰富的β-类胡萝卜素前体，但由于缺乏关键的β-类胡萝卜素酮化酶（BKT），并不能合成虾青素。

目前，通过表达BKT基因，或BKT基因与BHY基因，已在烟草、番茄、土豆、玉米、生菜等具有β-类胡萝卜素前体的植物中实现了虾青素的合成。然而，由于水稻胚乳中完全缺乏类胡萝卜素前体，其虾青素合成的难度更大，真正有效的水稻胚乳虾青素合成仍未见报道。尽管“黄金大米（Golden Rice）”【1】 已产生了多年，但是水稻类胡萝卜素代谢工程研究进展依然缓慢。

近日，华南农业大学生命科学学院、亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室刘耀光院士团队在Molecular Plant上在线发表了题为 “From Golden Rice to aSTARice: bioengineering astaxanthin biosynthesis in rice endosperm” 的研究论文，利用高效的多基因载体系统TGSII（TransGene Stacking II），实现了在水稻胚乳中从头合成虾青素的营养强化（Biofortification）目标，培育出世界首例胚乳富含虾青素的新型功能营养型水稻种质 “aSTARice，虾青素米”，也称“赤晶米”。

水稻是一种重要的粮食作物和模式植物，同时其种子也是一种优良的生物反应器。该研究通过分析水稻类胡萝卜素合成途径基因的表达模式，发现大多数类胡萝卜素合成的相关基因在水稻胚乳中处于不表达或低表达状态。在此基础上，结合对“黄金大米（Golden Rice）”的分析，确定了八氢番茄红素合成酶基因（sZmPSY1）、八氢番茄红素脱氢酶基因（sPaCrtI）、β-胡萝卜素酮化酶基因（sCrBKT）和β-胡萝卜素羟化酶基因（sHpBHY）四个类胡萝卜素合成途径的关键基因，利用水稻胚乳特异性启动子和自主开发的高效多基因TGSII系统【2】，在水稻胚乳中重新构建了不同基因组合的类胡萝卜素/酮式胡萝卜素/虾青素的生物合成途径。

（A）合成虾青素的多基因载体结构；（B）黄金大米GR，角黄素大米CR, 虾青素大米AR。

研究结果表明：双基因（sZmPSY1和sPaCrtI），三基因（sZmPSY1, sPaCrtI和sCrBKT）和四基因（sZmPSY1, sPaCrtI, sCrBKT和sHpBHY）聚合转化水稻，分别获得了筛选标记删除，富含黄色β-胡萝卜素的黄金大米、橙红色的角黄素大米和虾青素大米新种质。从而证实，导入上述四个基因的最小组合就能够在水稻胚乳中实现虾青素的从头生物合成，获得富含高抗氧化活性虾青素的虾青素大米。

（A）类胡萝卜素成分的HPLC分析；（B）类胡萝卜素含量比较；（C）抗氧化活性分析。

综上所述，该研究利用多基因代谢工程方法，成功实现了花青素的水稻胚乳合成，培育了一批营养价值高、色彩丰富的水稻新种质，为植物代谢工程、合成生物学和作物生物强化研究领域的发展提供了成功的范例和新策略。

水稻胚乳中重构的类胡萝卜素/角黄素/虾青素的生物合成途径

该项成果是刘耀光院士团队在2017年率先创制富含花青素的功能营养型水稻种质“紫晶米”【2】后，又一重要科研成果。华南农业大学生命科学学院、亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室刘耀光院士团队骨干青年教师祝钦泷副研究员为论文第一作者，刘耀光院士为论文的通讯作者，博士研究生曾栋昌和余穗泽为论文的共同第一作者。研究得到国家自然科学基金、广东省公益与能力建设项目和农业部转基因专项的资助。

参考文献

【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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