通過遺傳育種培育富含玉米黃質(zhì)的高營養(yǎng)番茄（2020.4.25 Plant Biotechnology Journal）

玉米黃素（Zeaxanthin），亦稱“玉米黃質(zhì)”、“玉米黃質(zhì)素”，是葉黃素類脂溶性色素成分，為β-胡蘿卜素的二羥基衍生物。玉米黃素大量存在于綠色蔬菜、玉米種子、枸杞和酸漿果實等植物組織和一些非光合作用細菌中。大量研究表明，玉米黃素具有抗氧化、預防心血管疾病、增強機體免疫力、減緩動脈粥樣硬化等健康功效，和人類健康密切相關。尤其是與葉黃素一起，通過過濾有害的藍光來保護人眼視網(wǎng)膜，從而延緩年齡相關性黃斑變性（AMD）的進展，AMD是發(fā)達國家最普遍的致盲原因。盡管玉米黃質(zhì)具有很高的營養(yǎng)價值，但在我們的飲食中，它比其他大量的類胡蘿卜素要少。近二十年來，為了提高作物類胡蘿卜素的營養(yǎng)價值和經(jīng)濟價值，人們采用了類胡蘿卜素生物合成代謝工程。番茄果實中含有高濃度的番茄紅素，它是主要的類胡蘿卜素色素，在成熟過程中由于合成增強、對環(huán)胡蘿卜素的代謝減弱和結晶形式的固存而積累。此前已有報道，人們試圖通過調(diào)控番茄紅素β-環(huán)化酶和β-胡蘿卜素羥化酶基因的表達來促進番茄果實中葉黃素的積累。同時過表達胡蘿卜素β-羥化酶1（BCH1，CrtR-b1）和番茄紅素β-環(huán)化酶（LCYB）與僅過量表達LCYB轉(zhuǎn)基因相比，未導致成熟果實葉黃素含量顯著增加。

近日，以色列耶路撒冷希伯來大學的Uri Karniel研究團隊在國際著名期刊Plant Biotechnology Journal發(fā)表論文“Development of zeaxanthin-rich tomato fruit through genetic manipulations of carotenoid biosynthesis”。

為了提高番茄果實中玉米黃質(zhì)的生物合成，作者采用了兩種遺傳途徑：轉(zhuǎn)基因代謝工程和經(jīng)典遺傳育種。通過經(jīng)典遺傳育種作者獲得了純合四突植株，類胡蘿卜素組成顯示玉米黃質(zhì)的高水平積累，被命名為‘Xantomato。通過轉(zhuǎn)基因代謝工程作者進一步提高β-胡蘿卜素，并指出了類胡蘿卜素生物合成途徑與上游酶的過度表達有助于進一步提高玉米黃質(zhì)的積累水平。

作者通過轉(zhuǎn)基因與非轉(zhuǎn)基因方法獲得高玉米黃質(zhì)番茄的比較，表明后者更為成功。這一結果表明，除了通過操縱特定基因進行代謝工程外，玉米黃質(zhì)的積累還受到特定類胡蘿卜素生物合成基因表達以外的其他因素的影響，如質(zhì)體分化、生色體和質(zhì)體超微結構。在目前的市場形勢下，非轉(zhuǎn)基因玉米黃質(zhì)品系‘xantomoto比轉(zhuǎn)基因品系具有商業(yè)優(yōu)勢。然而，本研究中用于增加玉米黃質(zhì)積累的高色素突變，對植物生長發(fā)育和逆境耐受都具有負的多效性，從而對產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響。在生長不定的植物中，這種效應的速率一直很難測量。然而，番茄果實中玉米黃質(zhì)含量為577μg.g-1dw，β-胡蘿卜素含量為529μg.g-1dw的經(jīng)濟優(yōu)勢可以克服這一不利的園藝效應。