物維生素B₁生物合成及生物強化的研究進展

孫亞麗 唐家琪 毛馨晨 王子瑞 張超 于恒秀

摘要 維生素B是所有生物所必需的微量元素，其作為多個酶的輔因子，參與重要的細胞代謝途徑。人體缺乏維生素B會增加罹患心血管及神經(jīng)失調(diào)性疾病的風險。與植物和微生物不同，人類和其他動物不能從頭合成維生素B，必須從飲食中獲取。因此，研究植物中維生素的生物合成途徑，并在此基礎(chǔ)上對植物中的維生素B含量進行生物強化具有重要意義。維生素B合成途徑中有許多酶的參與，如嘧啶合成酶（THIC）、噻唑合成酶（THI1）、硫胺素磷酸合成酶（TH1）、硫胺素單磷酸酶（TH2）和硫胺素焦磷酸激酶（TPK）等。結(jié)合相關(guān)研究，對維生素B在植物中的生物學功能、生物合成途徑及合成相關(guān)基因的功能進行總結(jié)，并介紹了通過代謝工程實現(xiàn)生物強化的研究進展，以期為進一步提高植物中維生素B含量提供參考。

關(guān)鍵詞 維生素B；硫胺素；生物合成；生物強化；植物

中圖分類號 Q946 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）02-0005-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.002

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Research Progress on Biosynthesis and Biofortification of Vitamin B in Plants

SUN Ya-li， TANG Jia-qi， MAO Xin-chen et al

（Agricultural College of Yangzhou University/Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology/ Key Laboratory of Plant Functional Genomics of the Ministry of Education/Jiangsu Key Laboratory of Crop Genomics and Molecular Breeding/ Jiangsu Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops，Yangzhou，Jiangsu 225009）

Abstract Vitamin B is an essential micronutrient for all living organisms. As a cofactor of many enzymes， it participates in important cellular metabolic pathways. Vitamin B deficiency increases the risk of cardiovascular and neurological disorders in human. Unlike plants and microbes， humans and other animals cannot synthesize vitamin B de novo and must acquire it from their diets. Therefore， it is of great significance to study the vitamin B biosynthesis pathway and to biofortify the vitamin B content in plants. There are many enzymes involved in the vitamin synthesis pathway， such as pyrimidine synthetase （THIC）， thiazole synthetase （THI1）， thiamine phosphate synthetase （TH1）， thiamine monophosphatase （TH2） and thiamine pyrophosphate kinase （TPK）. In this paper， the biological functions of vitamin B in plants， biosynthetic pathways and functions of synthesis-related genes were summarized based on the latest research progress， and the progress of biofortification through metabolic engineering was reviewed. This paper may highlight opportunities for further improving the content of vitamin B in plants.

Key words Vitamin B;Thiamin;Biosynthesis;Biofortification;Plants

基金項目 江蘇省自然科學基金青年項目（BK20200951）。

作者簡介 孫亞麗（1998—），女，河南信陽人，碩士研究生，研究方向：水稻遺傳育種。

*通信作者，教授，博士，從事水稻遺傳育種研究。

收稿日期 2023-02-06

維生素B于1926年從米糠中分離，是最早被提純的維生素。維生素B有助于促進人類神經(jīng)健康、改善情緒、增強心臟和減少胃灼熱，同時維生素B也是一種抗氧化劑。當維生素B攝入量不足時，往往會出現(xiàn)微量營養(yǎng)素缺乏癥。若嚴重缺乏維生素B，則會干擾中樞神經(jīng)和循環(huán)系統(tǒng)，并導致腳氣病。“腳氣病”是一種人類致命疾病，在以高碳水化合物為主食的國家中普遍存在。

維生素B在植物的生長發(fā)育、非生物和生物脅迫的響應(yīng)中發(fā)揮著重要的作用。維生素B參與許多細胞代謝途徑并作為一些重要酶的輔酶，如三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle，TCA cycle）、己糖二磷酸途徑（embden-meyerhof-parnas pathway，EMP）等。維生素B缺乏會導致植物新陳代謝速率減慢、呼吸作用減弱、光合作用下降、蔗糖和氨基酸殘基的累積量增高。在玉米維生素B合成缺陷的突變體中，新生葉的數(shù)量和花序的形成都會受到影響。

維生素B能夠觸發(fā)植物的防御系統(tǒng)。當病原體侵染植物時補施維生素B，植物會大量且迅速地積累致病相關(guān)蛋白（pathogenesis related protein，PR）的mRNA，使植物抵抗病原體的能力增強。而且，維生素B處理會增加水稻對紋枯病及白葉枯病的抗性以及黃瓜對白粉病的抗性。

當植物遭受非生物脅迫（例如滲透壓、鹽和氧化應(yīng)激脅迫）以及暴露于冷、熱和強光條件下，維生素B含量會增加，維生素B生物合成途徑關(guān)鍵酶的mRNA轉(zhuǎn)錄水平也會增加。對向日葵根部進行外源施加維生素B，其可溶性糖和K含量升高、葉片水勢含量降低。此外，有研究發(fā)現(xiàn)植物對非生物脅迫所誘導損傷的耐受度與維生素B的含量呈正相關(guān)性。

1 維生素B在植物中的從頭生物合成

1.1 維生素B的分子結(jié)構(gòu)

維生素B主要以硫胺素（thiamin）、硫胺素單磷酸（thiamin monophosphate，TMP）及硫胺素焦磷酸（thiamin pyrophosphate，TPP）3種形式在植物體內(nèi)存在（圖1）。TPP在一些細胞代謝途徑中主要起到輔酶的作用。在酸性條件下，硫胺素在嘧啶N1氮和噻唑N3氮上為正電荷；在堿性條件下，隨著噻唑環(huán)的打開產(chǎn)生硫醇形式。

1.2 維生素B的生物合成途徑

在模式植物擬南芥中，對維生素B的合成研究比較深入。它主要由噻唑環(huán)（4-甲基-5-β-羥乙基噻唑）和嘧啶環(huán)（4-氨基-5-羥甲基嘧啶）2個部分組成。2個部分在質(zhì)體中單獨合成，然后結(jié)合在一起，最終形成TPP的形式（圖2）。

嘧啶是通過嘧啶合成酶（HMP-P synthase，THIC）催化底物5-氨基咪唑核糖核苷酸（5-aminoimidazole ribonucleotide，AIR）合成4-氨基-2-甲基-5-羥甲基嘧啶單磷酸（4-amino-2-methyl-5-hydroxymethylpyrimidine monophosphate，HMP-P）。在此過程中需要輔助因子還原性酰胺NADH和S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosyl methionine，SAM）的參與。最終形成的4-氨基-2-甲基-5-羥甲基嘧啶焦磷酸（4-amino-2-methyl-5-hydroxymethylpyrimidine diphosphate，HMP-PP）是由硫胺素磷酸合成酶（thiamine phosphate synthase，TH1）催化HMP-P而完成。

噻唑部分的生物合成是通過噻唑合成酶（HEP-T synthase，THI1）催化底物形成腺苷二磷酸-5-（β-乙基）-4-甲基噻唑-2-羧酸（adenylated thiazole，ADT）。ADT隨后在一種迄今為止尚未表征的酶的作用下形成4-氨基-2-甲基-5-羥甲基嘧啶磷酸（4-amino-2-methyl-5-hydroxymethylpyrimidine phosphate，HET-P）。

硫胺素從頭合成的2個前體HET-P和HMP-PP被TH1催化，耦聯(lián)形成TMP。TMP在原核生物中可以直接轉(zhuǎn)化為TPP，但在擬南芥中，TMP首先被TMP磷酸酶（TMP phosphatase，TH2）脫磷酸為硫胺素。然后被2種硫胺素焦磷酸激酶（thiamine pyrophosphokinase，TPK1和TPK2）焦磷酸化成TPP。

2 維生素B生物合成途徑中的關(guān)鍵酶

維生素B生物合成途徑受到許多生物合成酶的調(diào)控。其中，THIC、THI1、TH1、TH2和TPK是維生素B從頭合成途徑中的關(guān)鍵酶，對植物體內(nèi)維生素B的合成具有重要的調(diào)控作用（表1）。

2.1 THIC

THIC是嘧啶合成酶，參與植物硫胺素嘧啶部分的生物合成過程。THIC蛋白含有一個[Fe-S]簇，該[Fe-S]簇起到了穩(wěn)定THIC蛋白構(gòu)象的作用。在植物中，半胱氨酸脫硫酶（CpnifS）為[Fe-S]簇提供硫。擬南芥的CpnifS蛋白定位于葉綠體并且對于質(zhì)體[Fe-S]蛋白的成熟至關(guān)重要。在細菌中，THIC是SAM家族的成員。細菌THIC的[4Fe-4S]簇還原SAM以產(chǎn)生腺苷自由基，然后該自由基參與AIR異構(gòu)化為HMP-P。植物THIC中[Fe-S]簇的存在表明植物中可能發(fā)生類似的反應(yīng)。

核糖開關(guān)（riboswitch）是mRNA前體元件，可調(diào)節(jié)基因表達以響應(yīng)細胞內(nèi)特定代謝物配體的濃度。核糖開關(guān)在細菌中廣泛存在，而在真核生物中僅報道了一種TPP核糖開關(guān)，該核糖開關(guān)存在于硫胺素生物合成基因THIC的3′UTR中。TPP核糖開關(guān)控制THIC RNA轉(zhuǎn)錄物的剪接和可變的3′末端加工，并介導THIC表達對細胞TPP水平變化的反饋調(diào)節(jié)，而這會影響mRNA積累和蛋白質(zhì)產(chǎn)生。

THIC蛋白定位于葉綠體基質(zhì)中。THIC基因轉(zhuǎn)錄本主要存在于綠色組織中，在根和莖中幾乎無法檢測到，并且在光合作用強的植物組織中更加豐富。擬南芥thic突變體幼苗出現(xiàn)褪綠表型，并且發(fā)育不超過子葉期，但這種表型可以通過補充硫胺素來挽救。若補充1.5 μmol/L硫胺素，幼苗可以生長，但仍然出現(xiàn)褪綠表型；若補充100 μmol/L硫胺素，幼苗具有正常的著色，但比野生型幼苗弱小。

2.2 THI1

THI1是目前發(fā)現(xiàn)的參與硫胺素噻唑部分生物合成的唯一合成酶。THI1突變會導致植株發(fā)育異常，葉片變成白色，并且在幼苗期死亡，但通過補充硫胺素可以使其恢復正常。

THI1是一個單拷貝核基因，轉(zhuǎn)錄起始位點位于第一個ATG上游39 bp處，并編碼單個1.3 kb轉(zhuǎn)錄物。預(yù)測的蛋白質(zhì)長度為349個氨基酸，包含一個典型的葉綠體轉(zhuǎn)運肽和一個位于N末端的線粒體前序列樣結(jié)構(gòu)，能夠進行雙重細胞器靶向。雙重靶向可以使THI1在靶向線粒體時起到保護DNA損傷的作用，靶向葉綠體時可以在硫胺素生物合成過程中起作用。除了已知的參與硫胺素生物合成和線粒體DNA損傷耐受性功能外，THI1還在植物非生物脅迫反應(yīng)中發(fā)揮作用。研究發(fā)現(xiàn)，THI1可參與脫落酸（abscisic acid，ABA）調(diào)節(jié)的氣孔運動、S型陰離子通道和植物的干旱反應(yīng)。此外，THI1在氣孔關(guān)閉過程中還充當ABA誘導的慢型陰離子通道活化的正調(diào)節(jié)劑。與野生型相比，THI1過表達增強了植物對ABA的敏感性，降低了植物的水分損失率，從而提高了植物的耐旱性。

2.3 TH1 TH1是硫胺素磷酸合成酶，在嘧啶和噻唑的連接方面發(fā)揮重要的作用。TH1的轉(zhuǎn)錄本在植物的不同組織（根、莖、葉、穂）都廣泛表達，其中在葉中的表達量最高。TH1蛋白包含一個cTP結(jié)構(gòu)域、一個HMP-P激酶結(jié)構(gòu)域和一個TP合酶結(jié)構(gòu)域。蛋白質(zhì)序列比對顯示HMP-P激酶結(jié)構(gòu)域的氨基酸序列與原核生物中的ThiD的氨基酸序列同源，具有催化HMP-P轉(zhuǎn)化為HMP-PP的磷酸甲基嘧啶激酶的活性。此外，TP合酶結(jié)構(gòu)域與原核蛋白ThiE的結(jié)構(gòu)域一致。ThiE是一種TMP合酶，可將嘧啶和噻唑部分縮合以產(chǎn)生TMP。

在水稻中，OsTH1由于選擇性剪接而具有2個轉(zhuǎn)錄異構(gòu)體，導致蛋白質(zhì)具有定位多樣性。一種蛋白質(zhì)含有548個氨基酸，包含2個保守結(jié)構(gòu)域，與在擬南芥中的同源物TH1一致，顯示出葉綠體靶向特性，并且充當HMP-P激酶和TMP合酶。另一種蛋白質(zhì)亞型具有388個氨基酸，僅包含TP-S結(jié)構(gòu)域，并定位于細胞質(zhì)。

植物受到氧化應(yīng)激脅迫時，TH1表達量會增高，并且蛋白表達量也會增高。在擬南芥中，th1突變體葉片白黃色，僅在葉緣有少許毛狀體，并且植株在幼苗期死亡，若補充硫胺素可以使其恢復正常。但補充HEP以及HMP時，突變體仍無法正常合成TMP。在四葉期之前，水稻突變體OsTH1表現(xiàn)出正常的種子萌發(fā)和幼苗生長，但第四葉本身開始出現(xiàn)褪綠表型。隨著植株的生長，黃化變得更嚴重并蔓延至其他葉片，最終在幼苗萌發(fā)后4周左右死亡，外源補施硫胺素可使其表型恢復正常。這些研究表明，TH1對于植物體內(nèi)硫胺素的生物合成是必需的。

2.4 TH2 TH2是硫胺素單磷酸酶，可將TMP去磷酸化為硫胺素。擬南芥TH2含有一個N末端靶向肽、一個轉(zhuǎn)錄增強A（TenA）和一個鹵酸脫鹵酶（HAD）結(jié)構(gòu)域。靶向肽末端附近的Met可作為TH2的替代翻譯起始位點。第一個Met的翻譯將TH2蛋白靶向線粒體，而從Met的翻譯產(chǎn)生了細胞溶質(zhì)TH2，其胞質(zhì)形式主要在TPP合成中起作用。

PALE1與TH2是等位基因。水稻敲除突變體Ospale1的淡綠色至黃棕色表型與擬南芥硫胺素缺陷突變體pale1的表型相似。盡管如此，PALE1至少有兩個不同的方面。首先，OsPALE1是水稻的必需基因。Ospale1葉中的TPP水平約為對照WT的40%，含有的TMP濃度比對照WT更高，突變也是致死的。同樣，擬南芥pale1/th2突變體幼苗中的TPP水平也約為WT的40%，含有的TMP濃度也比對照WT高，但突變體并不致死。補充硫胺素可以使其突變體的表型恢復正常。

這些結(jié)果表明，在完成水稻生命周期過程中，可能對TPP的要求更高。其次，PALE1/TH2很可能是負責植物細胞內(nèi)大多數(shù)硫胺素和TPP合成的主要TMP磷酸酶。PALE1/TH2的缺失可能會激活另一種磷酸酶，導致pale1突變體中較低但可以檢測到的TPP水平。

2.5 TPK TPK是硫胺素焦磷酸激酶，將細胞質(zhì)溶膠的硫胺素磷酸化成TPP，是硫胺素輔因子活化的核心。在擬南芥中發(fā)現(xiàn)AtTPK1和AtTPK2 2個蛋白，且其氨基酸序列一致性約為93%。這2種基因在葉片中的表達較高，而在其他組織中的表達較低，這說明葉片需要高水平的TPP進行光合作用和碳水化合物代謝。盡管AtTPK基因編碼生化冗余蛋白，但這2種AtTPK轉(zhuǎn)錄本仍存在差異表達。這2種AtTPK mRNA在葉、莖、長角果和花中的轉(zhuǎn)錄物積累模式相似，但在根中的表達明顯不同，AtTPK1轉(zhuǎn)錄物比ATPK2轉(zhuǎn)錄物更豐富。

在氧化應(yīng)激條件下，TPKs的表達量會增高。雖然單個TPK的擬南芥突變體與野生型相比并未產(chǎn)生突變表型，并且可以合成硫胺素；但在雙突變植株中，幾乎不能產(chǎn)生TPP，而是積累了TPK反應(yīng)的前體游離硫胺素，并在幼苗期死亡。另外雙突變體表型只能通過外源施用TPP來使其恢復正常，而補施硫胺素或TMP是無法挽救的。在水稻中，若沉默TPK1/ROX1基因，則植株對稻瘟病的易感性會明顯增強。這些結(jié)果表明，TPK活性是外源性和從頭衍生的硫胺素轉(zhuǎn)化為酶促輔助因子TPP的唯一機制。

3 維生素B在植物體內(nèi)的生物強化進展

生物強化是通過育種或基因工程手段提高農(nóng)作物產(chǎn)品中的天然微量營養(yǎng)素水平，是對抗微量營養(yǎng)素營養(yǎng)不良（MNM）的關(guān)鍵工具。植物性食物是人類硫胺素的主要來源，但許多主要作物的硫胺素含量相對較低。對主要糧食作物進行硫胺素生物強化是避免硫胺素缺乏癥的一種有效措施。

游離硫胺素是水稻種子中儲存維生素B的主要形式。因此，刺激TMP下游的酶可能不會對胚乳組織中的總硫胺素水平產(chǎn)生有益影響。首先，嘧啶和噻唑合成途徑中的第一個酶分別是HMP-P合酶（THIC）和HET-P合酶（THI1），因此將它們看作硫胺素生物強化的重點研究對象。其次，THIC催化擬南芥中硫胺素生物合成的限速步驟，這一特征也可能保存在水稻胚乳中。另外，THIC基因包含一個位于其3′UTR的TPP核糖開關(guān)，當TPP水平增加時，該核糖開關(guān)負調(diào)節(jié)THIC基因表達和蛋白質(zhì)產(chǎn)生，這種機制會阻止硫胺素積累。攜帶缺乏核糖開關(guān)的擬南芥植物葉片和種子中的總硫胺素水平分別增加1.6和1.2倍；同樣，過表達THIC的擬南芥植株相較于其野生型葉片中總硫胺素含量增加了1.5倍。與野生型相比，過表達THI1的擬南芥植株葉片中的總硫胺素含量增加了2.0倍。盡管如此，THIC或THI1單基因過表達植物中硫胺素的積累均不高于其對照野生型。

將THIC和THI1單基因過表達植物雜交以產(chǎn)生THIC×THI1過表達系。在THIC×THI1過表達的擬南芥或水稻葉片中，硫胺素含量與其對照野生型相比增加了6倍以上，占總硫胺素的45%；TPP水平增加了2倍，占總硫胺素的50%以上，但TMP水平仍然很低，只占總硫胺素的5%左右；而種子的總硫胺素含量增加了5倍。另外，與野生型相比，THIC×THI1葉綠體中的硫胺素含量僅增加了2.3倍，TPP含量增加了1.9倍，TMP低于檢測水平。這說明，硫胺素在葉綠體中的積累程度遠低于在整個葉片組織中的積累，可能是硫胺素或TMP被迅速轉(zhuǎn)運出葉綠體所導致的。雖然THIC×THI1未拋光種子中的硫胺素水平高于未拋光的對照種子，但它們在精制白米中的含量卻相似，最多增加1.3倍，這說明硫胺素含量的增加主要或完全在種子的麩皮中，而不是在胚乳中。

4 總結(jié)

硫胺素對人類健康至關(guān)重要。植物是大多數(shù)人類飲食中硫胺素的最終來源，但白米等主食的硫胺素含量較低。因此，以低硫胺素作物作為主糧的人群?；加辛虬匪厝狈ΠY。當前，作物硫胺素的生物強化研究主要集中在對其代謝途徑中關(guān)鍵酶的研究上，并且也取得了一定的進展。

增加植物體內(nèi)維生素B的含量，可滿足維生素B缺乏人群的需求，但其生物合成和累積機制尚不明確。其中，嘧啶、噻唑等代謝通路上的關(guān)鍵酶目前還不清楚，有待于深入研究；在植物生長發(fā)育過程中任何部位都需要硫胺素的參與，而硫胺素的生物合成主要存在于綠色組織中，對于硫胺素在植物中的轉(zhuǎn)運機制尚不十分明確；如何積累硫胺素的研究仍處于瓶頸期。

未來應(yīng)重點研究種子中硫胺素的代謝分工，并開發(fā)組織特異性代謝模型，以設(shè)計合理的工程策略，對水稻胚乳進行硫胺素生物強化。另外，也可以針對硫胺素及其中間體的運輸及限速步驟，解決胚乳與麩皮之間硫胺素水平的差異。

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