劉耀光科研團隊開發新型多基因載體系統並首創胚乳富含花青素的水稻新種質「紫晶米」

2017年6月27日，華南農業大學劉耀光研究員課題組，在國際著名學術期刊Molecular Plant在線發表了題為Development of 「Purple Endosperm Rice」 by Engineering Anthocyanin Biosynthesis in the Endosperm with a High-Efficiency Transgene Stacking System的研究論文(doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.molp.2017.05.008)，並被選為封面文章。該論文利用新研發的高效的多基因載體系統TGSII（TransGene Stacking II），首次實現了在水稻胚乳合成花青素的營養強化目標，培育出首例胚乳富含花青素的新型功能營養型水稻種質 「紫晶米」。論文第一作者為祝欽瀧副研究員，通訊作者為劉耀光研究員。

植物合成生物學、代謝工程以及涉及多基因的重要農藝性狀的改良，需要同時操控多個基因的導入和表達。儘管目前已有一些多基因載體系統，但其仍然存在操作困難，費時、效率低的問題。如何更加簡單、高效地實現多基因組裝與轉化（Transgene Stacking），仍然是生物技術領域的一個急需解決的難題。花青素（Anthocyanin）是一類黃酮類植物色素，作為植物營養素具有強抗氧化活性，對人體健康具有重要的保健作用。天然的有色類穀物的花青素等色素只存在於種皮中，作為主要食用部分的胚乳不含花青素。如傳統食用的黑米是糙米（種皮含花青素），其蒸煮特性和口感較差。因此，通過基因工程技術進行營養強化（Biofortification），在水稻胚乳合成花青素，是功能型水稻育種的重要目標。但由於花青素生物合成涉及多個基因，其代謝調控十分複雜，以及多基因操作的技術瓶頸，相關工作多年來未獲得成功。

為了解決多基因基因工程技術的難題，劉耀光科研團隊開發了新一代高效、簡便的多基因載體系統TGS II（TransGene Stacking II），可實現多基因的高效快速組裝和多個基因同時轉化植物的目的。針對在水稻胚乳產生花青素的育種難題，該團隊通過分析水稻品種花青素合成相關基因的序列和表達，發現白米品種水稻中存在多個調節基因和結構基因的功能缺失，以及其它相關基因在胚乳中的不表達或低表達狀態。在此基礎上，他們採用TGS II載體系統同時導入轉錄因子組合和整套結構基因組合的新策略，構建了一個具有10個基因的多基因載體，包括用於胚乳特異合成花青素的8個基因（由不同的胚乳特異啟動子控制）以及2個篩選標記和標記刪除的基因。通過農桿菌介導的遺傳轉化，在粳稻和秈稻中實現了花青素在胚乳的特異合成，首次創造出具有高抗氧化活性的紫色胚乳水稻「紫晶米」。

上述研究成果為合成生物學、複雜代謝途徑的基因工程、和複雜農藝性狀的遺傳改良等提供了高效的技術平台。「紫晶米」新種質的成功培育，表明高效多基因載體系統TGS II的切實可行和廣闊的應用前景，為穀物營養強化和功能性穀物育種提供了新的思路。多家國外科學媒體對該研究成果做了採訪和新聞報道， 如AAAS (American Association for the Advancement of Science) 的 EurekAlert (https://www.eurekalert.org/pub_releases/2017-06/cp-get062017.php )和美國Discovery頻道的科學新聞網站Seeker.com (https://www.seeker.com/health/biotech/gene-stacking-tool-produces-antioxident-rich-purple-rice )。該研究得到國家自然科學基金、農業部轉基因專項和廣東省公益與能力建設項目的資助。

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