番茄红素生物合成调控基因工程研究进展

摘要 番茄红素对人体的健康有着至关重要的作用，在清楚高等植物类胡萝卜素生物合成代谢相关基因的基础上，利用生物工程手段调控上游基因的超表达和下游基因的沉默，以提高番茄红素的含量已取得了进展。

关键词 番茄红素；基因表达调控；生物工程

中图分类号 S188 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）20-027-02

Abstract Lycopene plays an important role in human health.Based on understanding the expression and regulation of carotene genes in higher plants，it is possible to use genetic engineering methods to increase lycopene content by overexpression of upstream gene and interference of downstream gene.

Key words Lycopene； Gene expression and regulation； Genetic engineering

番茄红素是一种极具潜力的类胡萝卜素化合物，对人体的健康有着至关重要的作用。它具有极强的抗氧化能力，可以延缓细胞和人体的衰老[1]、降低心血管疾病以及某些癌症的发病率[2]等。但人体及动物自身无法产生番茄红素，必须通过饮食从食物中摄取，人体摄取的番茄红素中85%来源于番茄（Solanum lycopersicum）果实。随着人口的增长，人们对番茄红素的需求日益上升，因此，寻求高含量番茄红素的植物种质成为当下亟需解决的问题。

基于类胡萝卜素生物合成途径的研究成果，通过基因工程手段调控番茄红素的生物合成代谢日趋成熟[3]。笔者综述了国内外对番茄红素基因表达调控的研究进展。

1 类胡萝卜素合成代谢相关基因的克隆

类胡萝卜素是高等植物、真菌和光合微生物中广泛存在的一种天然C40萜类化合物。高等植物的类胡萝卜素主要存在于成色素细胞，通过类异戊二烯生物途径合成，始于由八氢番茄红素合成酶（PSY）催化的2分子牦牛儿基牦牛儿基焦磷酸（GGPP）向八氢番茄红素的转化，八氢番茄红素经过八氢番茄红素脱氢酶（PDS）和六氢番茄红素脱氢酶（ZDS）的4步连续脱氢形成番茄红素，在2种番茄红素环化酶（LCYb、LCYe）的作用下形成胡萝卜素，胡萝卜素经过羟化酶和加氧酶的作用形成种类多样的类胡萝卜素及其他下游代谢产物。

为了从分子水平上理解类胡萝卜素生物合成代谢，人们克隆了类胡萝卜素生物合成相关基因。番茄是公认的类胡萝卜素生物合成代谢模式植物，其相关基因是研究最早也是最透彻的。Cunningham等[4]结合前人的研究成果对类胡萝卜素生物合成途径的相关基因和酶进行了详细总结。此后，大量物种的类胡萝卜素合成基因相继被克隆出来，如柑橘、橙、胡萝卜、番木瓜等。通过序列比对发现植物类胡萝卜素基因编码的氨基酸序列在不同的物种间具有较高的保守性。对相关基因的时空表达分析显示，尽管在不同的组织基因表达水平不同，但类胡萝卜素含量及成分的变化与类胡萝卜素生物合成相关基因的表达水平相关[5]，总体趋势为随着PSY、PDS、ZDS等基因的表达上调，类胡萝卜素的总含量及番茄红素含量随之上升，而随着LCYb、LCYe基因的表达下调，下游类胡萝卜素的含量会随之下降，但上游类胡萝卜素，尤其是番茄红素的含量则显著增加。

2 类胡萝卜素基因的表达调控

2.1 番茄红素上游关键基因的超表达调控

PSY是类胡萝卜素生物合成途径的限速酶，由细菌CRTB基因与真核生物PSY基因编码，调控PSY的表达量通常会引起类胡萝卜素成分及含量的变化。将CRTB基因转入胡萝卜（Daucus carota），类胡萝卜素提高了2～5倍[6]。在油菜（Brassica campestris）种子中特异性超表达CRTB基因，获得的转基因胚乳呈黄色，类胡萝卜素含量上升了50倍，种子出现轻微萌发延迟现象[7]。在番茄果实中特异性超表达CRTB基因，PSY总活性上升了5～10倍，总类胡萝卜素含量上升了2～4倍[8]。在2个品种的土豆（Solanum tuberosum）块茎中特异性表达CRTB基因，转基因土豆的β胡萝卜素和叶黄素含量均大量上升[9]。在亚麻（Linum usitatissimum）中分别组成型和种子特异性超表达CRTB，结果组成型超表达的转基因植株中CRTB基因也只在种子中表达，类胡萝卜素总量达到65.4～156.3 μg/g鲜重，还积累了大量八氢番茄红素、α胡萝卜素和β胡萝卜素[10]。在番茄中超表达CRTB基因，获得的转基因番茄果实中八氢番茄红素的含量增加了1.8倍，类胡萝卜素总量增加1.3～2.5倍[11]。 在番茄中组成型表达PSY基因，导致种皮、子叶、果实等多个器官的类胡萝卜素含量发生变化，同时赤霉素含量下降了30倍，引起转基因番茄植株的矮化现象[12]。在水稻（Oryza sativa）胚乳中分别进行组成型和胚乳特异性超表达水仙PSY，结果转基因胚乳中只有特异性表达的胚乳能且仅能检测到八氢番茄红素[13]。在拟南芥（Arabidopsis thaliana）种子中特异性超表达其内源PSY基因，获得的转基因种子β胡萝卜素含量上升了43倍，叶黄素、紫黄质、叶绿素和脱落酸的含量也显著上升，种子出现休眠现象[14]。在番茄果实中组成型表达欧李（Cerasus humilis）PSY 基因，获得的转基因番茄果实中总类胡萝卜素含量增加了1.62～3.04 倍[15]。

PDS是将八氢番茄红素经过连续的2步脱氢转变为六氢番茄红素的酶，是类胡萝卜素生物合成途径中的另一重要酶。在烟草中组成型表达腊梅（Chimonanthus praecox）PDS基因，结果转基因烟草中番茄红素含量均高于野生型对照组[16]。在番茄中超表达番茄PDS基因，获得的转基因株系果实中的番茄红素产量提高了1.4倍[17]。在小麦（Triticum aestivum）胚乳中特异性表达玉米y1（编码PSY）和CRTI基因，转基因小麦的总类胡萝卜素含量上升了10.8倍[18]。在小麦中同时表达CRTB和CRTI基因，种子干重的总类胡萝卜素含量提高了近8倍，β胡萝卜素含量提高了65倍，维生素A前体含量提高了76倍[19]。

这些试验结果均表明，在植物中超表达PSY、PDS等基因，能改变类胡萝卜素含量及成分，但是不同的物种其变化类胡萝卜素种类及程度不同，可能因为物种本身的类胡萝卜素生物合成代谢相关基因的表达水平及酶活性不同导致结果的巨大差异。从这些研究中还发现，超表达的基因来自高等植物比来自原核生物的好，特异性超表达比组成型表达效果更好，选择的受体物种中类胡萝卜素生物合成基因表达量及酶活高的比不具有或基因表达量及酶活低的物种效果好。

2.2 番茄红素下游代谢基因的干扰调控

要提高番茄红素积累，理论上需要下调下游关键基因LCYb、LCYe的表达以降低其对番茄红素的利用。利用2个反向LCYb、LCYe片段间插入GUS A基因构成干扰载体，通过遗传转化番茄，导致类胡萝卜素含量明显变化，证明RNA干扰（RNAi）技术是提高植物番茄红素含量的有效方法[20]。将番茄LCYb、LCYe基因构建成正、反义干扰表达载体，结果转基因番茄中番茄红素的含量均有不同程度的上升[21]。通过RNAi 阻断LCYb基因的表达来调控番茄红素的积累，获得的转基因植株中番茄红素的含量最高可达13.84 μg/g鲜重，是对照组的4.26倍[22]。通过控制反义LCYb基因在番茄果实中特异性表达，获得的转基因番茄中平均番茄红素含量上升了2.1倍[23]。将拟南芥LCYb构建成果实特异性反义干扰载体，获得的转基因株系中LCYb基因表达水平下调了近1倍，导致番茄红素含量上升[24]。使LCYe在土豆块茎中特异性沉默，结果β胡萝卜素含量显著上升14倍，总类胡萝卜素含量上升2.5倍[25]。这些研究结果均表明，干扰下游基因的表达可以提高番茄红素的含量。

随着基因表达调控研究的深入，在单独调控的基础上，衍生出将番茄红素的上游超表达和下游干扰相结合的方式，同时调控番茄红素的生物合成。通过果实特异性启动子将拟南芥PSY 基因和番茄LCYb基因RNAi 片段构建在同一表达载体中，为获得高含量的番茄红素提供了新的技术平台[26]。

3 结语

在植物中超表达类胡萝卜素生物合成PSY、PDS等上游基因，或者借助反义、RNAi等技术引起下游基因的沉默，实现了类胡萝卜素特定成分含量的变化，为通过基因调控手段提高番茄红素含量提供了理论依据和有效的技术平台。

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