通过多基因代谢工程方法显著提高拟南芥种子中类胡萝卜素的稳定积累

诗经有云：“彼黍离离，彼稷之实。行迈靡靡，中心如噎。知我者，谓我心忧，不知我者，谓我何求。”

粮食安全不仅承载着家国情怀，也是世界和平与发展的重要保障。

植物的种子富含淀粉，能够为人类生存提供足够的能量，是人类主食的主要组成部分。然而主食并不能为人类健康提供足够的营养物质，包括维生素和一些微量元素。据世界卫生组织统计，维生素A缺乏影响着全球约1/3 五岁以下儿童以及许多孕妇的健康。严重的维生素A缺乏症会导致失明和免疫水平的低下，而贫困和饮食缺乏多样化是很多国家和地区维生素A缺乏较为严重的根本原因。膳食中的β-胡萝卜素是维生素A的主要前体，可以被人体吸收并转化为维生素A。

20年前黄金大米的问世为维生素A缺乏症提供了可行的解决方案。也为其它粮食作物中的类胡萝卜素营养强化提供了技术路径。然而，在广泛应用这项技术之前，有一些基础问题亟待解决。比如，类胡萝卜素分子的结构高度不饱和，含有多个共轭双键，因而在种子成熟和存储过程中容易被降解，从而降低了维生素A的含量。类胡萝卜素降解是影响生物强化种子营养价值的重要因素。此外， ABA合成是利用了类胡萝卜素代谢产物为前体，类胡萝卜素的过量积累可能会导致ABA含量增加从而影响种子的萌发。

近日，康奈尔大学、美国农业部、华南农业大学和内布拉斯加大学林肯分校的研究人员合作在aBIOTECH上发表了题为“Multi-strategy engineering greatly enhances provitamin A carotenoid accumulation and stability in Arabidopsis seeds” (点击题目查看原文）的研究论文，报道了以拟南芥种子为模型验证利用多基因转化的方法促进类胡萝卜素稳定积累的技术路线，实现了在种子中类胡萝卜素高水平的积累，并且降低了类胡萝卜素在种子成熟和存储过程中的降解, 以及种子萌发不会因为类胡萝卜素积累受到显著影响。

图1. 种子中类胡萝卜素代谢

BCH2是种子中表达量较高的β-胡萝卜素羟化酶，通过CRISPR/Cas9敲除BCH2, 减少种子成熟过程中ABA合成直接前体的合成。PSY是类胡萝卜素合成途径的瓶颈，而ORHis则是促进类胡萝卜素存储库——有色体形成以及类胡萝卜素稳定存储的重要因子 (图1)。通过在CRISPR/Cas9载体上添加种子特异性的启动子驱动PSY和ORHis基因共表达，种子中的类胡萝卜素积累显著提高，比单独表达PSY增加类胡萝卜素合成提高了9.7-12.1倍。HGGT是维生素E中生育三烯酚合成的关键调控基因。进一步在转基因载体上组装种子特异的HGGT表达盒，使得种子中类胡萝卜素含量进一步增加 (图2)。使用这种多基因载体转化的类胡萝卜素生物强化种子，不仅能够在种子成熟过程中就开始积累大量的类胡萝卜素，而且在37 ℃存储八周的条件下，依然能够保持78%-86%的类胡萝卜素，而同样条件下野生型和只表达PSY的转基因种子只能保持31-40%的类胡萝卜素。本文提出的多基因代谢工程强化种子营养的技术路线，为在作物种子中同时调节类胡萝卜素合成、代谢、存储以及降解提供了新的思路。