全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2008年第 6期
收稿日期：2008-05-29
基金项目：教育部留学回国人员科研启动基金（2005-55），云南省中青年学术与技术带头人培养费（2004PY01-5），昆明理工大学人才培养费
作者简介：周雨隆（1983-），男，汉族，湖北宜昌人，硕士研究生，研究方向：植物代谢基因工程；Email：ylzhou_83@yahoo.cn
通讯作者：陈丽梅，教授，E-mail：chenlimeikm@yahoo.com.cn
在植物中，类胡萝卜素担当叶绿体光合作用的
辅助色素并保护叶绿素免受强光破坏，同时也是合
成植物激素 ABA 的前体 。 除八氢番茄红素、六氢
番茄红素等几种类胡萝卜素无色外，绝大多数类胡
萝卜素呈黄色、橙色或红色 。 约有 10％的类胡萝卜
素是维生素 A 的前体，并具有抗癌活性，是人和动
物食物中不可缺少的成分。
1 植物类胡萝卜素合成途径
在高等植物中类胡萝卜素合成途径如图 1 所
示。以异戊烯焦磷酸（IPP）为前体，通过已糖双磷酸
降解途径 （MEP）途径在质体中合成异戊二烯磷酸
盐。 4 分子的 IPP 在 IPP 异构酶和牻牛儿基牻牛儿
基焦磷酸合成酶的作用下转变为牻牛儿基牻牛儿
基焦磷酸 （GGPP）。 然后 2 分子的 GGPP 由八氢番
茄红素合酶（PSY）催化，在质体中缩合形成无色的
八氢番茄红素。八氢番茄红素在八氢番茄红素脱氢
酶（PDS）和 ε-胡萝卜素脱氢酶（ZDS）的作用下形成
粉红色的番茄红素。 番茄红素的环化反应由 β-环
化酶（LCYb）和 ε-环化酶 （LCYe）催化 ，形成 2 个环
的 β-胡萝卜素和 α-胡萝卜素 （1 个 β 环和 1 个 ε
环）[1]， 这是类胡萝卜素合成途径中的关键分支点。
α-胡萝卜素通过连续的羟基化反应形成叶黄素。 β-
胡萝卜素由 2 个羟基化反应形成玉米黄素，玉米黄
素由玉米黄素环氧酶催化形成堇菜黄素。
高等植物类胡萝卜素代谢工程研究进展
周雨隆 陈丽梅
（昆明理工大学生物工程技术研究中心，昆明 650224）
摘 要： 类胡萝卜素是自然界中种类繁多的天然化合物。植物类胡萝卜素由类异戊二烯碳骨架组成，并含有或没
有环氧的、羟基或酮基基团。类胡萝卜素是人类饮食结构中不可缺少的重要成分，具有多种重要的保健功能，并且是安全
的食品、饲料和化妆品着色剂。类胡萝卜素植物代谢基因工程的应用旨在增加特殊植物的营养价值、利用植物来生产特
殊的类胡萝卜素、提高植物对光氧化的抵抗力及对植物的花色进行修饰等。
关键词： 高等植物 类胡萝卜素 基因操作 研究进展
Research Progresses of Metabolic Engineering of Carotenoid
Biosynthesis in High Plants
Zhou Yulong Chen Limei
（Kunming University of Science and Technology，Kunming 650224）
Abstract： The carotenoids，as a wide spread group of componds in nature，are composed of the isoprenoid
skeleton with or without epoxy，hydroxy and keto groups in plant. Carotenoids are important nutritional compositions in
human diets and play an important role in human health. They are also used commercially as safe food，feed and
cosmetic colorants and can be able to protect plants from photooxidative stress as well. For over ten years，carotenoid
metabolic engineering efforts have been undertaken in plants，aiming to improve nutritional value of staple crops，enable
the use of plants for producing specific carotenoids，improve plant resistance to photooxidative stress and modify the color
of flowers.
Key words： High plant Carotennoid Gene mannipulation Research progress
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2008年第 6期
2 类胡萝卜素代谢工程的应用
2.1 修饰类胡萝卜素代谢途径产生特殊的类胡
萝卜素
每年全球类胡萝卜素的市场额大约有 9 亿美
元，并以每年 2.9%的速率递增 ，叶黄素 ，虾青素和
角黄素超过 55%的份额。 虾青素，角黄素和玉米黄
质是高营养的类胡萝卜素，在工业上用作着色剂和
食品添加剂， 也是酮醇化或羟基化的类胡萝卜素。
虽然植物能够合成类胡萝卜素，但不能合成酮醇化
或羟基化类胡萝卜素。 目前，工业上生产酮醇化和
羟基化的类胡萝卜素主要采用的是化学合成法，其
主要的缺点是反应中产生大量不能转化的立体异
构体，污染中间代谢物和最后的产物。因此，化学合
成的酮醇化或羟基化类胡萝卜素如果作为饲料添
加剂使用，会使饲料缺少应有的营养价值 ［3］。
目前有一些代谢工程的研究尝试在植物中生
产虾青素。 在烟草中过量表达海洋细菌的 β-胡萝
卜素羟化酶 CrtZ 和酮酶 CrtW 基因，转基因烟草花
朵的蜜腺组织中积累高水平的类胡萝卜素酮类物
质，包括虾青素，角黄素和 4-酮类胡萝卜素 ［4］。转基
因土豆被用来生产商业上重要的酮类类胡萝卜素，
转基因土豆中， 使玉米黄质环氧酶 ZEP 基因沉默，
同时利用组成型启动子过量表达蓝细菌的酮酶
CrtO， 结果发现在土豆叶子中有海胆酮、3-羟基海
胆酮和 4-酮玉米黄质的积累， 在土豆块茎中有 3-
羟基海胆酮和 4-酮玉米黄质的积累，叶子和块茎中
酮类类胡萝卜素的含量占到类胡萝卜素总量的
10%~12% ［5］。
在胡萝卜的根中导入来自雨生红球藻的 β-胡
萝卜素酮酶基因，并分别用 CaMV35S、拟南芥泛素
蛋白启动子和农杆菌的 RolD 3 个启动子调控它的
表达。 豌豆 Rubisco 小亚基的转运肽将这个酶定位
到胡萝卜叶子和根部的质体中。在这 3 种启动子的
控制下高效表达该基因，胡萝卜根和叶子中 70%的
类胡萝卜素转变成类胡萝卜素酮类， 包括虾青素、
角黄素、海胆酮和 β-玉米黄质等 ［6］。
2.2 利用类胡萝卜素基因工程增加农作物营养
价值
人类自身不能合成类胡萝卜素，必须依靠摄取
食物才能获得类胡萝卜素。类胡萝卜素具有抗氧化
特性，能预防和减轻慢性疾病的发生，因此有人尝
试利用基因工程的方法来提高农作物中类胡萝卜
素的含量。
过量表达细菌的八氢番茄红素合酶 CrtB 基因
被证明是一个可以提高农作物中类胡萝卜素含量
的好策略。 在油菜中过量表达细菌的 CrtB 基因，可
显著提高油菜种子中八氢番茄红素、α-胡萝卜素和
β-胡萝卜素的含量 ［7］。共表达细菌的 CrtB 基因和八
氢番茄红素脱氢酶 CrtI 基因减少了八氢番茄红素
的含量，但没有增加下游化合物的含量。在油菜中，
共表达 CrtI 和细菌的 β-环化酶 CrtY 基因使 α-胡
萝卜素和 β-胡萝卜素含量增加了 6 倍， 八氢番茄
红素的含量没有减少 ［9］。 在土豆的块茎中过量表达
CrtB 获得相似的结果，β-胡萝卜素， 叶黄素和紫黄
质含量增加 ［8］。 在土豆的块茎中过量表达 1-脱氧-
图 1 类胡萝卜素代谢途径 ［2］
1．IPP 异构酶 ； 2．GGDp 合成酶 （GGPS）；3．八氢番茄红素合成
酶 （PSY）；4．八氢番茄红素饱和酶 （PDS）；5．胡萝卜素脱氢酶
（ZDS）；6．番茄红素环化酶 ；7．胡萝卜素羟化酶 （BCH）；8．番
茄红素环化酶 ；9．辣椒红 ／辣椒玉红素合成酶 （CCS）；l0．玉米
黄素环氧酶 （ZEP）；11．堇菜黄素脱氧酶 （VDE）；DMAPP:二苯
基丙烯基焦磷酸
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D-5 磷酸木酮糖合酶（DXS）使八氢番茄红素的含量
增加了 6 倍，并使块茎出现了芽早萌发的现象 ［10］。
基因沉默策略也被用于土豆块茎的类胡萝卜
素基因工程的研究中。 在土豆中使 ZEP 的表达沉
默， 可增加总类胡萝卜素尤其是玉米黄质的含量 ［11］，
相反， 沉默 LCYe 和 CHY 会增加 β-胡萝卜素和总
类胡萝卜素含量 ［9］。
组织特异性或组成型的启动子对于驱动转基
因的表达非常重要。 早期的实验研究表明，在番茄
中组成型的表达 PSY 造成植株矮小， 原因可能是
PSY 的过量表达使 GGPP 由赤霉素途径更多流向
类胡萝卜素途径 ［12］。在土豆的块茎中系统的研究组
织特异性表达和组成型表达这些目的基因的区别
是 ： 虽然下游基因 CrtI 和 CrtY 被融合到组成型
（35S）或块茎特性型的启动子 Pat 上 ，但 CrtB 基因
在块茎特异性的 Pat 启动子的调控下避免了植株
的矮化。 当 CrtI 在 35s 启动子的调控下块茎和叶子
中类胡萝卜素的含量有明显的负相关性，表明转基
因高水平的表达，需要块茎中类胡萝卜素的含量到
达很高的水平，这样就干扰了叶子中胡萝卜素的形
成 ［9］。
2.3 修饰类胡萝卜素代谢途径改变观赏花卉的
颜色
在高等植物中，类胡萝卜素为组织和器官提供
鲜艳的颜色，例如在花和果实中提供黄色、橙黄色、
红色。对高等植物类胡萝卜素代谢途径的基因操作
可以改变组织中类胡萝卜素的含量和花的颜色。据
报道，高等植物遗传操作类胡萝卜素合成途径已经
改变了甘蓝型油菜等植物组织中类胡萝卜素的含
量和花的颜色 ［13］。虽然这些研究的主要目的在于提
高高等植物中类胡萝卜素的总含量、特殊或新的类
胡萝卜素的出现，但研究结果表明改造类胡萝卜素
色素合成途径是一个能使观赏花卉产生新花色的
有效方法。类胡萝卜素生物合成途径及其主要酶和
基因功能的阐明，为用基因工程手段调控植物类胡
萝素生物合成，进而改变花色奠定了理论基础。
crtW 基因编码 β-胡萝卜素酮酶 （4，4-β-加氧
酶），这种酶在细菌、真菌、单细胞藻类和一小部分
的高等植物中的存在能产生粉红色到红色的类胡
萝卜素。 来自于海洋细菌金黄色杆菌的 crtW 基因
和豌豆的 Rbcs 小亚基的转运肽在 35S 启动子的调
控下，转入到豆科植物百脉根中。 使百脉根的花色
由浅黄色变化成深黄色或橙黄色，并且叶子的颜色
也发生了变化，由绿色变成了浅黄色。 这个结果说
明通过修饰类胡萝卜素生物合成途径可以改变花
的颜色。 通过增加类胡萝卜素的含量，使观赏植物
的白色花瓣转变为黄色、橙黄色、红色，更进一步的
研究是考虑利用花特异性的启动子或植物内源类
胡萝卜素合成基因调控叶绿素和有色体的发育 ［14］。
2.4 修饰类胡萝卜素代谢途径提高植物对光氧
化的抵抗能力
叶片中的类胡萝卜素有基本的光保护作用，能
清除氧活性分子， 淬灭危险的叶绿素三联体状态，
参与剩余光能的分散。 在高辐射的情况下，玉米黄
质由紫黄质的去环氧化反应形成，能增强叶绿素荧
光的非光化学淬灭和保护细胞膜脂被过度氧化 ［15］。
叶片中叶绿素被玉米黄质替代的拟南芥突变株比
野生型更能抵抗光氧化作用和脂类的过氧化反应。
在拟南芥的叶子中过量表达 LCYe 增加了叶黄素
的含量和非光化学淬灭的诱导率。在烟草或拟南芥
的叶子中分别过量表达 CrtZ 或 CHY， 增加了 β-胡
萝卜醇类化合物的含量。 由于玉米黄质的作用，增
加了植物抵抗紫外辐射，强光和高温或强光和低温
的能力 ［16］。 增加 β-胡萝卜醇类化合物和玉米黄质
的含量，相应的就增强了植物的抗逆性状。 与这个
观点一致的现象是： 缺失了所有 β-胡萝卜醇类化
合物的拟南芥突变株比只缺少玉米黄质或叶黄素
的拟南芥突变株对光氧化作用更加敏感 ［17］。
3 问题和展望
近年来，对高等植物类胡萝卜素合成的代谢操
作已经取得了巨大的成就。在增加特殊农作物的营
养价值，利用植物来生产特殊的类胡萝卜素 ，提高
植物对非生命胁迫的抵抗力，对植物的花色进行修
饰等方面获得了可喜的成果。
但对类胡萝卜素代谢途径的基因工程操作要
成为成熟的技术， 还要注意以下几个方面的问题：
（1）利用同位素标记对类胡萝卜素途径中的代谢物
进行分析，找出反应的限速步骤，利用质谱分析前
体物质 ，生成物的丰度和区域 ［18］； （2）进一步的鉴
定类胡萝卜素代谢途径和其他代谢途径的交叉是
周雨隆等：高等植物类胡萝卜素代谢工程研究进展
（下转第 55页）
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否对植物的生长发育和营养价值产生影响 ［19］；（3）鉴
定复杂代谢途径中的元件，如转录因子和结合元件
对表达的影响。 研究代谢途径中类胡萝卜素的合
成、分解和积累之间的相互关系；（4）对转基因植物
营养价值和农艺学上的表型应该有更加规范，严格
的标准；（5）由于类胡萝卜素是在质体中合成的，如
何增加靶器官或组织中的质体数量或大小，组织或
器官特异性表达启动子的选择也是关键。
随着生物学技术的发展，先进仪器的使用和新
技术、方法的采用，将逐步解决以上的问题，类胡萝
卜素的基因工程将进入一个全新的时代。
参考文献
1 Cunningham Jr FX，et al.Plant Cell，1996，8（9）：1613~1626.
2 刘石泉.余庆波，等.贵州林业科学，2004，32（2）：13~18.
3 Ausich RL. Pure Appl Chem，1997，69：2169~2173.
4 Ralley L，et al. Plant J，2004，39：477~486.
5 Morris WL，et al. Metab Eng，2006，8：253~263.
6 Jayaraj J，et al. Transgenic Res，2007.
7 Shewmaker CK，et al. Plant J，1999，20：401~412.
8 Ducreux LJ，et al. J Exp Bot，2005，56：81~89.
9 Diretto G，et al. PLoS ONE，2007，2：e350.
10 Morris WL，et al. J Exp Bot，2006，57：3007~3018.
11 Romer S，et al. Metab Eng，2002，4：263~272.
12 Fray RG，et al. Plant J，1995，8：693~701.
13 Shewmaker CK，et al. Plant J，1999，20：401~412.
14 Suzuki S，et al. Plant Cell Rep，2007，26：951~59.
15 Havaux M，Niyogi KK. Proc Natl Acad Sci USA，1999，96：8762~
767.
16 Johnson MP，et al.J Biol Chem，2007，282：22605~2618.
17 DallOsto L，et al. J Biol Chem，2007，282：35056~5068.
18 Wu S，et al. Nat Biotechnol，2006，24：1441~447.
9 Davidovich-Rikanati R，et al. Nat Biotechnol，2007，25：899~901.
（上接第 19页）
15 Schmittgen TD，Jiang J，Liu Q，et al. Nucleic Acids Res，2004，
32（4）：e43.
16 JiangJ，LeeEJ，GusevY，etal.NucleicAcidsRes，2005，33（17）：
5394~5403.
17 ThomsonJM，ParkerJ，PerouCM，etal.NatMethods，2004，1（1）：
47~53.
18 Babak T，Zhang W，Morris Q，et al. RNA，2004，10（11）：1813~
1819.
19 LuJ，GetzG，MiskaEA，etal.Nature，2005，435（7043）：834~838.
20 Cho WC. Mol Cancer，2007，6：60.
21 Calin GA，Dumitru CD，et al. Proc Natl Acad Sci USA，2002，99
（24）：15524~15529.
22 Bottoni A，Piccin D，Tagliati F，et al. J Cell Physiol，2005，204
（1）：280~285.
23 Cimmino A，Calin GA，Fabbri M，et al. Proc Natl Acad Sci USA，
2005，102（39）：13944~13949.
24 ODonnell KA，Wentzel EA，Zeller KI，et al. Nature，2005，435
（7043）：839~843.
25 Welch C，Chen Y，Stallings RL. Oncogene，2007，26（34）：5017~
5022.
26 Bottoni A，Zatelli MC，Ferracin M，et al. J Cell Physiol，2007，210
（2）：370~377.
27 Lee EJ，Gusev Y，Jiang J，et al. Int J Cancer，2007，120（5）：
1046~1054.
28 Takamizawa J，Konishi H，Yanagisawa K，et al. Cancer Res，2004，
64（11）：3753~3756.
29 Yan ihara N，Caplen N，Bowman E，et al. Cancer Cell，2006，9
（3）：189~198.
30 Carlo M，Croce MD. E Engl J Med，2008，358（5）：502~511.
31 HeL，ThomsonJM，HemannMT，etal.Nature，2005，435（7043）：
828~833.
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
姚绛等：与肿瘤相关的 MicroRNA研究进展 55