近日，山东省农业科学院作物所小麦遗传育种团队在《The Crop Journal》（中科院1区，IF=6.705）发表题为″Development of betalain-enriched wheat by metabolic engineering″的研究论文。该研究利用合成生物学策略与多顺反子介导的高效多基因聚合技术，成功在小麦胚乳中特异性实现甜菜红素大量积累，创制出营养价值显著提升的″红宝石小麦″新种质。
甜菜红素是酪氨酸衍生的天然色素，具有强抗氧化活性与多种健康功效，其生物合成由人工合成RUBY表达盒编码的3种关键酶催化完成，该合成通路中酪氨酸会对阿罗酸脱氢酶产生反馈抑制，制约甜菜红素合成；来源于甜菜的BvADHα能够解除该代谢抑制，在水稻、玉米胚乳中与RUBY元件共表达，可有效提升籽粒甜菜红素积累。小麦是全球重要主粮，适合开展营养生物强化，但若采用组成型RUBY表达，色素在全株异位积累会抑制植株生长，因此需要构建胚乳特异性的高效表达体系。
本研究在原有甜菜红素合成单元的基础上，引入反馈不敏感型阿罗酸脱氢酶基因，构建了两套无筛选标记的增强型eRUBY系统：一套为多顺反子融合载体CDGA，另一套是将CDG与ADHα设置为独立表达盒进行叠加的拆分载体CDG+A。两套载体中的全部基因均受胚乳特异性启动子Glu1Dx2调控，严格限定甜菜红素只在胚乳中合成积累，避免了全株表达带来的生长抑制问题，最终成功创制出籽粒呈现紫红色调的 ″红宝石小麦″。对比两套载体对应的转化株系，CDG+A株系籽粒着色更深，甜菜红素积累水平更高。籽粒不同组分的显色差异也表明，甜菜红素在籽粒内并非均匀分布，更多富集在麸皮当中。研究证实，转基因拷贝数、载体结构以及基因表达水平共同调控甜菜红素的积累。抗氧化检测证实，红宝石小麦抗氧化活性显著高于野生型，麸皮的抗氧化提升效果最为突出。由于甜菜红素大量富集在麸皮与糊粉层，该工程小麦制备的全麦粉相比精制面粉，具备更高的健康价值。
红宝石小麦胚乳中甜菜红素从头生物合成及表型
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214514126002795?via%3Dihub
来源: 山东省农业科学院
