陕西
甜菜红素（betalain）是一类酪氨酸衍生的天然植物色素，主要存在于石竹目植物中，具有很强的抗氧化性和潜在的保健作用。近年来，以甜菜红素作为可视化标记的RUBY报告系统，因其不需要额外的染色即可裸眼无损观察的廉价便捷性，在遗传转化筛选、生物传感器和分子互作研究中得到广泛应用。因此，如何进一步促进甜菜红素的生物合成，提高RUBY系统的可视化灵敏度，并开发胚乳富含甜菜红素且稳定遗传的作物新种质，具有重要的研究意义和应用价值。
近日，华南农业大学农学院、未来作物精准育种基础研究卓越中心、岭南现代农业科学与技术广东省实验室和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/祝钦泷教授/陈乐天教授团队 与广东省农科院水稻所谭健韬副研究员，在植物学著名期刊Plant Physiology在线发表了题为“
eRUBY
rice: Co-expression of a feedback-insensitive
TyrA
arogenate dehydrogenase with RUBY enhances endosperm
betalain
levels” 的 研究 论文 ， 利用 “推—拉” 的合成代谢工程 策略开发出增强型的eRUBY（ enhanced RUBY ）报告系统，在烟草和水稻中验证其有效性和稳定性。通过 多基因 代谢工程技术培育出胚乳富含 甜菜红素 的水稻种质 “红宝石水稻” （ eRUBY rice ），并 评估了 不同遗传元件组合在多顺反子基因表达中的效率 ，为 基于 RUBY 系统的应用研究提供了新的强力元件工具 ，对推动作物绿色 生物 智造和提高粮食营养价值具有重要战略意义。
研究团队通过水稻密码子优化合成了红甜菜（Beta vulgaris）中两个甜菜碱生物合成关键基因BvCYP76AD1和BvDODA1，以及来自紫茉莉（Mirabilis jalapa）的MjDOPA5GT，并将这3个基因通过P2A肽介导的多顺反子策略进行串联，获得了基础的RUBY系统。烟草瞬时转化实验表明，在RUBY基础上进一步引入反馈不敏感的酪氨酸:分支酸脱氢酶基因BvADHα增强了上游底物的通量，显著促进了甜菜红素的合成（图1A-C）。
图1 增强型eRUBY系统开发及甜菜红素合成的“红宝石水稻”（eRUBY rice）创制
为了获得胚乳富含甜菜红素的水稻种质，研究团队进一步采用3种策略将BvADHα与RUBY表达盒进行连接并导入水稻（图1D）：（1） 由独立的胚乳特异表达启动子PGluB4和PGluB1分别驱动RUBY和BvADHα表达（RUBY+A）；（2） 将BvADHα通过F2A肽（与RUBY中的P2A肽不同）序列融合到RUBY末端（RUBYFA），并由单个PGluB4启动子驱动；（3） 将BvADHα通过P2A肽（与RUBY中的P2A肽相同）序列融合到RUBY末端（RUBYPA），并由单个PGluB4启动子驱动。结果表明（图1E-G），BvADHα和RUBY的共表达使增强型eRUBY rice胚乳中甜菜红素平均含量高达22.06 mg/100 g干重，比基础的RUBY水稻高出1.75至5.26倍。其中RUBY+A株系甜菜红素含量最高（30.84 mg/100 g干重），表现为RUBY+A＞RUBYFA＞RUBYPA＞RUBY株系。这使得eRUBY rice胚乳的抗氧化活性相比野生型提高了1.36至6.44倍。
最后，研究团队通过多组学分析（图2），阐明了生物合成过程中代谢途径和源库关系之间的相互作用和重要性。该研究开发的增强型eRUBY报告系统可作为可视化标记元件用于基础研究和遗传转化筛选，也为多顺反子转基因表达和功能性粮食作物的研发提供了策略指导。
图2 eRUBY rice胚乳中基因表达与代谢网络变化
华南农业大学刘耀光院士、祝钦泷教授和陈乐天教授为论文共同通讯作者，广东省农业科学院水稻研究所谭健韬副研究员和华南农业大学博士研究生王雅茜为论文共同第一作者。该研究获得了生物育种国家科技重大专项、广东省振兴种业专项、广东基础与应用基础研究面上项目、广东省未来作物精准育种基础研究卓越中心重大项目等的资助。
https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf416
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