综述刘耀光院士团队概述植物合成代谢工程在增强作物营养品质中的应用及展望

　　原标题：综述刘耀光院士团队概述植物合成代谢工程在增强作物营养品质中的应用及展望

　　2015年联合国粮食及农业组织估计全球营养不良人口约为7.925亿，其中7.8亿生活在发展中国家。此外，由于日常饮食中微量营养素的摄入不足，全世界约有20亿人遭受“隐性饥饿”。作物营养强化是指通过增加农作物中特定营养成分的含量和种类，有助于克服作物营养不足的问题，对解决“隐形饥饿”对人类健康的威胁具有重要的意义。与常规植物育种和农艺实践相比，植物代谢工程和合成生物学（植物合成代谢工程）方法能更加有效和准确地在农作物中合成与富集特定的微量营养素、植物营养素和生物活性物质。因此，对于满足人们多样性的营养需求具有十分重要的意义。

　　代谢工程（Metabolic Engineering）是通过调节一种或多种酶促反应在生物体内改善或实现靶标化合物生产的过程。合成生物学（Synthetic Biology）通过设计和创造新的生物途径在生物体中合成新的化合物。目前，大多数基于植物开发和生产新的生物活性成分的方法都需要合成生物学和代谢工程的紧密结合（图1），这类方法就被称为合成代谢工程（Synthetic Metabolic Engineering）。

　　合成代谢工程包括三个主要步骤（图2）：学习了解生物体内的代谢通路或遗传调控网络；在生物体中重建（设计、组装和转化）代谢途径；并验证重建代谢途径的实际效果。然后通过进一步的总结学习增强系统级知识，推动后续的学习/重建/验证（L-R-T）循环。反复的L-R-T循环促进了合成代谢工程的发展。从黄金大米到虾青素米的发展就是一个很好的例子：首先，通过学习了解了植物、酵母和细菌中β-胡萝卜素的生物合成途径。并通过在植物中表达PSY和CrtI重建了这条合成途径，产生了第一代黄金大米，在此基础上，继续通过学习藻类和酵母中的虾青素生物合成途径，然后利用PSY，CrtI，BHY和BKT基因重建虾青素合成途径，最终成功地在稻胚乳中生物合成虾青素。

　　随后，该文讨论了合成代谢工程中常用的几种策略，包括调控合成限速酶基因的表达，抑制降解关键酶基因的表达和通过转录因子调控整条代谢途径。然后总结讨论了针对于合成代谢工程多基因操控的特点开发出相应的多基因转化策略（图3）：包括用于多个基因堆叠的早期耗时且劳动强度大的迭代策略（杂交和多轮转化）和共转化（粒子轰击和农杆菌混合转化），和当前的多基因载体转化（在单个T-DNA区域连接多个基因表达盒），多顺反子转基因（使用自切割肽2A）和质体转化以实现多基因堆叠。作者进一步详细的介绍了多基因载体系统的不同构建方法以及目前在作物中不同营养元素的合成代谢工程研究进展。

　　最后，该文对合成代谢工程的未来方向进行了展望，提出了以下几个方向：1）通过多组学的联合分析加速对代谢途径的认识；2）综合使用高效的多基因表达载体系统（例如TGSII系统）和CRISPR基因编辑工具（例如，基于CRISPR / dCas9的人工转录激活剂或抑制剂），实现对复杂代谢通路的更加灵活准确的调控与合成；3）开发富含多种营养元素的作物（例如同时含有多种植物营养素、维生素和矿物质或开发功能性营养保健品），满足人们营养多样性的需求。

　　华南农业大学刘耀光院士团队祝钦泷教授为论文第一作者，刘耀光院士为论文通讯作者。美国康奈尔大学（Cornell University）Li Li教授作为共同作者参与了论文的写作与讨论。该研究得到了国家自然科学基金和广东省基础与应用基础研究重大项目的资助。返回搜狐，查看更多

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