SSB┃ 代谢工程促进番茄果实中叶黄素和玉米黄质的富集
近日，四川大学生命科学学院张阳研究员团队在期刊Synthetic and Systems Biotechnology发表了题为“Enrichment of health-promoting lutein and zeaxanthin in tomato fruit through metabolic engineering” 的研究论文，该研究通过在果实特异性启动子驱动下引入四个内源性合成基因（SlLCYE、SlLCYB、SlHYDB和SlHYDE）的不同组合，从而产生了叶黄素和玉米黄质富集的番茄新品系。
类胡萝卜素是自然界中广泛分布的一大类天然色素。这些化合物不仅为水果和花朵提供了独特的颜色，而且对人类健康非常有益。叶黄素和玉米黄质是含氧类胡萝卜素，在保护视网膜抗氧化损伤和维持视觉健康方面发挥着重要作用(Landrum & Bone, 2001; Holt et al., 2005)。然而，人类和哺乳动物不能直接合成这些类胡萝卜素类化合物，而只能通过膳食提取(Della & Pogson, 2006)。
近年来，除了传统的微生物反应器，以植物为底盘生产高价值代谢物已成为一种新趋势(Liu et al., 2022)。番茄（Solanum lycopersicum）中含有丰富的类异戊二烯前体化合物，是植物代谢工程生产重要价值类胡萝卜素类化合物的理想材料。然而，由于受到严格的生理调节机制，番茄中催化番茄红素环化反应的关键限制基因（SlLCYE和SlLCYB）的表达随着果实的发育成熟而逐渐降低，从而导致在成熟的番茄果实中主要积累番茄红素，而叶黄素和玉米黄质的含量很低(Ronen et al., 1999)。
图1. 通过代谢工程生产富含叶黄素/玉米黄质的番茄新品系
该团队之前的研究表明，SlLCYE基因的过量表达可以显著提高番茄果实中叶黄素化合物的含量(Yuan et al., 2022)。在本文中，研究团队设计了另外三个包含叶黄素/玉米黄质合成途径的四个内源性合成基因的不同组合：SlLCYE和SlLCYB（LE/LB）；SlLCYB和SlHYDB（LB/HB）；SlLCYE、SlLCYB、SlHYDB和SlHYDE（LE/LB/HB/HE），分别在果实特异性启动子pE8或p2A11的驱动下，在成熟的番茄果实中重建了叶黄素/玉米黄质生物合成途径，从而获得了各种类型的富含叶黄素/玉米黄质的番茄新品系（图1）。转基因番茄果实中叶黄素/玉米黄质化合物的显著增加，不仅表现出更高的抗氧化能力，并且其采后耐储存性也显著提升（图2）。
图2. 富含叶黄素/玉米黄质的番茄果实延迟了过度成熟和采后保质期
综上所述，这项工作为番茄果实的精确代谢工程提供了成功案例，表明合成生物学在改善作物农艺性状方面的潜在应用。这些生物强化的番茄果实也可以作为研究类胡萝卜素衍生物对人类健康的新材料。
四川大学生命科学学院博士研究生武彦君和中国农业大学博士后袁勇为共同第一作者，四川大学生命科学学院张阳研究员和中国农业大学博士后袁勇为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、四川大学科研基金、和中央高校基本科研业务费的资助。
参考文献
Della PD, Pogson BJ. 2006. Vitamin synthesis in plants: tocopherols and carotenoids. Annu Rev Plant Biol 57: 711-738.
Holt NE, Zigmantas D, Valkunas L, Li XP, Niyogi KK, Fleming GR. 2005. Carotenoid cation formation and the regulation of photosynthetic light harvesting. Science 307: 433-436.
Landrum JT, Bone RA. 2001. Lutein, zeaxanthin, and the macular pigment. Arch Biochem Biophys 385(1): 28-40.
Liu X, Zhang P, Zhao Q, Huang AC. 2022. Making small molecules in plants: A chassis for synthetic biology-based production of plant natural products. J Integr Plant Biol.
Ronen G, Cohen M, Zamir D, Hirschberg J. 1999. Regulation of carotenoid biosynthesis during tomato fruit development expression of the gene for lycopene epsilon-cyclase is down-regulated during ripening and is elevated in the mutant Delta. Plant J 17(4): 341-351.
Yuan Y, Ren S, Liu X, Su L, Wu Y, Zhang W, Li Y, Jiang Y, Wang H, Fu R, et al. 2022. SlWRKY35 positively regulates carotenoid biosynthesis by activating the MEP pathway in tomato fruit. New Phytol 234: 164-178.
文章信息
Enrichment of health-promoting lutein and zeaxanthin in tomato fruit through metabolic engineering
Yanjun Wu, Yong Yuan, Wenqian Jiang, Xin Zhang, Siyan Ren, Hsihua Wang, Xiaolan Zhang, Yang Zhang
https://doi.org/10.1016/j.synbio.2022.08.005
期 刊 介 绍
Synthetic and Systems Biotechnology 是高质量国际开放获取期刊，创刊于2016年。期刊覆盖合成生物学、系统生物学以及生物医药等领域的各个方面。
Synthetic and Systems Biotechnology 发表的文章和期刊征稿活动将及时在公众号进行分享，欢迎学者们关注话题集#合成和系统生物技术（SSB），及时掌握期刊研究动态。
期刊现已被SCIE、EMBASE、PubMed Central、Scopus、CSCD等重要数据库收录。
2021 Impact Factor: 4.692;
5-Year Impact Factor: 5.23; JCR分区Q2
2021 CiteScore: 6.60, 位列学科Q1区
2021中科院分区2区
入选2019年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目
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