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本文的前半部分由本人翻译，但由于本人非生化背景，很多东西翻起来有点吃力所以省略了一部分细节，有兴趣的直接去读原文吧。 本文的后半部分由 @肖Dustin 翻译，从”第一代黄金大米“部分开始。 本文翻译自： The science behind Golden Rice 通过生物工程改造代谢途径 黄金大米技术的原理基于水稻具有合成β胡萝卜素的所有途径，然而当整个代谢途径都在叶片中激活时，在谷粒(Grain)中，这个系统中的一部分就会被关闭。通过加入两个基因，一个是植物八氢番茄红素合成酶 (phytoene synthase, psy)，另一个是细菌中的八氢番茄红素脱氢酶 (phytoene desaturase, crt l), 这个代谢通路就会被重新打开，从而使β胡萝卜素能够在谷粒中积累。
类胡萝卜素(Carotenoids)和它的衍生物包括一大批分子和对应的一大批酶及辅助因子。只有一小部分类胡萝卜素以至少一个没有被取代的β紫罗酮环(β-ionone ring)命名。这类β胡萝卜素具有维他命A前体的活性。来自这个代谢途径的化合物有很多，包括植物激素如脱落酸(abscisic acid)，独角金内酯(strigolactones)和赤霉素(gibberellins)。这个代谢途径的中间代谢产物也会维生素E，叶绿素和一些醌类物质的合成。 黄金大米背后科学的更多细节 所有能高度积累类胡萝卜素的植物组织都具有能隔离(sequestration)类胡萝卜素的机制, 包括使其晶体化(crystallisation)，油质封存(oil deposition)，细胞膜扩散(membrane proliferation)或者隔离蛋白质和油脂(protein-lipid sequestration)。有实验表明油脂的积累可以通过形成亲脂性的“池子”从而驱动类胡萝卜素的合成(Rabbani et al., 1998)。从另一方面来说，含有淀粉的大米胚乳，油脂含量很低，所以无法满足类胡萝卜素积累的条件。所以，有人也怀疑黄金大米的谷粒中是否有胡萝卜素生物合成的必需前体物质。可以肯定的是，胡萝卜素合成的很多步骤在大米胚乳中完全缺失。 这些原因解释了为什么在真正做出黄金大米前经历了漫长的研究阶段。在九十年代初，Peter Beyer和Ingo Potrykus教授在挑战这个难题的时候积累了大量数据。他们的重大突破表明只需要转入两个基因就可以将黄金大米变成现实(Ye et al., 2000)。第一个基因编码了植物的八氢番茄红素合成酶(phytoene synthase, PSY) ，它可以用于内源合成geranylgeranyl-diphosphate (GGPP)，以形成八氢番茄红素(Phytoene)。第二个基因编码了细菌的胡萝卜素脱氢酶(carotene desaturase, CRTI) 。从1993年到1999年，Peter Beyer和Peter Bramley的合作研究由EU networks B102-CT-930400, B104-CT97-2077 and FAIR CT96 1633 资助。通过对遗传修饰番茄的研究，Peter Bramley发现只使用单一的八氢番茄红素脱氢酶基因基因(细菌CRTI)，比使用多种植物脱氢酶效果更好(Romer et al., 2000)。 第一代黄金大米 黄金大米的第一个突破性发展是基于Peter Beyer和Ingo Potrykus在1999年复活节共同发表的研究结果。这篇论文提供了在大米颗粒中可产生β胡萝卜素的证据。论文中认为只有八氢番茄红素合成酶和胡萝卜素去饱和酶（CRTI）是（合成β胡萝卜素）过程所需的，而番茄红素环化酶是不需要的。这些起始的实验是在一种粳稻（圆形谷粒）上完成的。之后，这（实验）同样也在籼稻（长形谷粒）上完成了；而且1999年论文的观点也在之后的日子里在不同的品种上广泛的证实。 在有了确实的证据后，科学家们立刻开始着手进行在种子中制造和富集类胡萝卜素的过程。不过当时胡萝卜素(在大米中)的水平（1.6 μg/g）仍然不能满足那些无法那些仅能获得单一饮食的人群日常所需的维生素A源。一些在东南亚的人群是能够获得多样性的饮食的；但那些最穷困的人们就不能了。事实上，在一些农村人口中大米构成了人们日常热量来源的80%。 这些研究的结果推动了第一代黄金大米的发展，这代黄金大米也被叫做GR1。这代（黄金大米）只含有水仙花源茄红素（Psy）基因和菠萝泛菌（另名欧文式菌）源胡萝卜素去饱和酶（Crtl）基因。在这个早期的品种里两个转入的基因都仅在胚乳中有表达（两基因都受在胚乳特有的gt1启动子控制）。在（实验）田中，胡萝卜素的含量已经提高到了平均6 μg/g（大约是原型的4倍）；这提升大概是源于对大量（基因）转换的筛选和gt1启动子驱动下在CRTI基因的表达中引入gt1启动子控制以加强基因表达。在原型中起到类似作用的是35S（核糖体）启动子。 新一代黄金大米 第一代的黄金大米证明了在大米中制造维生素A源是可行的，但同时人们也发现为对抗维生素A缺乏（黄金大米中的）β胡萝卜素的含量还有待提高。既然只有两个生物合成基因是需要的，那一个逻辑上可行的策略是找到生物合成流程的瓶颈，然后微调节两个基因（八氢番茄红素合成酶,PSY；胡萝卜素去饱和酶，CRTI）产物相关的酶的活性。 图3.用于产生黄金大米的基因结果。RB，T-DNA右边缘序列；Glu，大米胚乳谷蛋白启动子；tpSSU，豌豆核酮糖双羧酶小亚基转运肽（定位叶绿体）；nos，胭脂碱合成酶终止子；Psy，八氢番茄红素合成酶，源于黄水仙（一代黄金大米）或玉蜀黍（二代黄金大米）；Ubi1，玉米聚泛素启动子；Pmi，磷酸甘露糖异构酶基因（大肠杆菌源）（二代黄金大米中正选择用）；LB：T-DNA左边缘序列 在多步生物合成途径中一般存在一个限速步骤，而这个限速步骤控制着整个合成途径的速度。这个限速步骤一般可以被两种方法解决：提高限速步中所用酶的含量或采用一个活性更高的酶。在黄金大米中，采用这个策略的是PSY（CRTI没有采用）(Al-Babili et al., 2006).在对不同源的PSY实验中可以发现在米类谷物中大米和玉米的基因是最有效率的 (Paine et al., 2005)；这一结果在之后的酶水平实验中又被证实(Welsch et al.,2010). 这（些研究成果）直接引导了第二代黄金大米系（GR2）的研发；这一系可产生37 μg/g类胡萝卜素，其中31 μg/g是β胡萝卜素。相比于第一代的1.6 μg/g，这一指标有显著提升。（Al-Babili and Beyer, 2005） 基于黄金大米中的β胡萝卜素的生物转化是一个很有效率的过程，同时正如这个网站的主页上高亮标出的，在对抗维生素A缺乏症中，一个包括黄金大米的食谱是很有潜在能力成为一个治疗方法的。
该图清楚的显示出了黄金大米从原型而来的研发进展。新一代的黄金大米所含的β胡萝卜素可为东南亚的儿童饮食中提供充足的维生素A源。 来源：知乎www.zhihu.com 作者：大肠杆君 【知乎日报】千万用户的选择，做朋友圈里的新鲜事分享大牛。点击下载 |
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