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Folate fortification in crops

作物叶酸生物强化



全 文 :第27卷 第8期
2015年8月
Vol. 27, No. 8
Aug., 2015
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号:1004-0374(2015)08-1055-06
DOI: 10.13376/j.cbls/2015145
收稿日期:2014-12-16; 修回日期:2015-01-07
基金项目:国家重点基础研究发展计划(“973”项目)(2013CB127003)
*通信作者:E-mail: zhangchunyi@caas.cn;Tel: 010-82106403
作物叶酸生物强化
姜 凌,张春义*
(中国农业科学院生物技术研究所,北京 100081)
摘 要:叶酸 (folates)是一类水溶性 B族维生素,包括四氢叶酸 (tetrahydrofolate, THF)及其衍生物,是动
植物体中参与 C1转移反应的重要辅酶,在嘌呤、胸苷酸、DNA、氨基酸和蛋白质的生物合成以及甲基循
环中发挥重要作用,也是动植物体生长发育所必需的微量营养素。由于人类不具备自身合成叶酸的能力,
因此,需要从植物和微生物中摄取。人类缺乏叶酸会增加许多疾病风险,全球叶酸缺乏的人群仍比较普遍,
利用生物强化提高作物的叶酸含量是一个解决全球性叶酸缺乏问题的有效方法,对人类生存与健康具有重
要意义。现综述了近年来国内外叶酸代谢和作物叶酸生物强化的主要研究成果,并对叶酸生物强化分子设
计育种的未来发展方向进行了展望。
关键词:叶酸代谢;人类健康;作物;生物强化
中图分类号:Q946;R151 文献标志码:A
Folate fortification in crops
JIANG Ling, ZHANG Chun-Yi*
(Biotechnology Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)
Abstract: Folates are a group of water-soluble Vitamin B, including tetrahydrofolate (THF) and its derivatives.
Folates are central cofactors in C1 transfer reaction and play important roles in the biosynthesis of DNA, amino
acids, and protein as well as in the methyl cycle, thus being essential for growth and development of animals and
plants. Folates are essential for human health as humans are unable to synthesize folates de novo and have to take
张春义,中国农业科学院生物技术研究所研究员,博士生导师,农业部农
业基因组学重点实验室副主任,中国生物强化项目副主任,中国农业生物技术
学会常务理事,中国作物学会常务理事,《中国农业科技导报》执行主编,
American Journal of Experimental Biology编委,美国植物生理学会会员。主要从
事植物微量营养素代谢及玉米株型建成分子机制研究,对叶酸代谢与氮代谢相
关性的研究填补了国际植物叶酸代谢领域基础理论研究的空白;同时,在玉米
籽粒叶酸代谢关键基因的等位变异研究方面取得了突破。近年来,在 Plant
Cell、Plant Physiology等杂志发表论文多篇,获 2001 年国家科学技术进步奖二
等奖,获授权专利 2项,主编专著 1部,参编专著 1部。自 2004年以来,主持
国家级课题 9项,包括“973”计划项目、国家“转基因生物新品种培育重大专
项”以及国家自然科学基金的面上项目和重大研究计划等,主持国际合作项目
1项。
生命科学 第27卷1056
up from plants and microbes. Folate deficiency is closely associated with increasing risks of diseases and is
prevalent in large population across the world. Enhancement of folates in food crops through biofortification is a
cost-effective strategy to tackle the global problem of folate deficiency in human. This review summarizes the
research achievements of folate metabolism and folate fortification in crops, and sheds light on the trends in
molecular design breeding for crops rich in folates.
Key words: folate metabolism; human health; crops; biofortification
1 叶酸代谢
1.1 叶酸的生物合成
叶酸 (folates)作为一种水溶性维生素,是四氢
叶酸 (tetrahydrofolate, THF)及其各类衍生物的总称,
因其最初是从菠菜叶中提取纯化的,故而命名为叶
酸。叶酸对细胞的分裂生长及核酸、氨基酸、蛋白
质的合成起着重要的作用,也是介导一碳单位转移
的重要辅助因子 [1-3]。细胞的一碳转移反应,包括
嘌呤和嘧啶的合成、氨基酸代谢、泛酸合成、线粒
体和叶绿体蛋白质合成以及甲硫氨酸的合成,都以
叶酸作为辅酶。
叶酸由 3部分组成,分别为蝶啶环、对氨基苯
甲酸环和谷氨酸尾。不同氧化水平的一碳单位连接
在蝶啶部分的 N5位,或对氨基苯甲酸环的 N10位,
或两者之间 [3](图 1)。不同物种中的叶酸合成代谢
途径都很保守,组成叶酸的 3种化合物先分别合成,
再合成完整的叶酸分子。细菌中所有这些步骤都在
细胞质中完成,动物中是在线粒体和细胞质中分别
进行,但是在植物中则涉及 3个不同的亚细胞结构,
即质体、线粒体和细胞质 [2]。在植物中,蝶啶和对
氨基苯甲酸分别在细胞质和叶绿体中合成,然后转
运至线粒体中,还原成单谷氨酸的四氢叶酸,最后
通过多聚谷氨酸合成酶催化将谷氨酸逐一连接到谷
氨酸的 γ位,成为具有多聚谷氨酸尾的叶酸。活体
中的叶酸分子主要以多谷氨酸形式存在,并且这种
形式也是参与一碳代谢的叶酸依赖型酶所偏爱的形
式 [4]。植物细胞的液泡、细胞质、线粒体和质体中
都有叶酸,并且植物可以从培养基中吸收叶酸 [5-6]。
在动物中,多谷氨酸形式的叶酸多倾向于与蛋白质
结合,因此,在多谷氨酸化和叶酸稳定性之间存在
正相关,与蛋白质结合还能使多谷氨酸叶酸免于被
γ-谷氨酰基水解酶水解 [7]。在植物中,谷氨酸尾的
长度越长,与其结合的酶的活性越高,如甘氨酸脱
羧酶、丝氨酸羟甲基转移酶、甲硫氨酸合成酶等 [8-10]。
总体来说,叶酸和一碳单位的代谢在各物种中了解
得比较清楚。
1.2 叶酸的生物学功能
叶酸的重要生物学功能之一是参与一碳单位代
谢。通过增加或去除一碳单位可以调节大量生物复
合物的合成与降解。四氢叶酸以其不同的氧化形式
(甲基、亚甲基、次甲基或甲酰基 )去结合、转运
和提供一碳单位 [2,11]。在生物体中,一碳代谢的实
质是丝氨酸、甘氨酸、甲酸盐和其他分子产生特定
的四氢叶酸一碳衍生物,在不同的氧化形式间转换。
其中,最主要的合成代谢流是利用 5-甲基四氢叶
酸将同型半胱氨酸转化成甲硫氨酸,甲硫氨酸可以
转化为甲基化反应的供体——腺苷甲硫氨酸,进而
参与蛋白质、DNA及各类化合物的甲基化过程 [10]。
另外,嘌呤合成需要 10-甲酰四氢叶酸的参与,甲
酰甲硫氨酰 -tRNA利用 5, 10-亚甲基四氢叶酸合成
胸苷酸和泛酸。此外,不依赖叶酸的一碳单位反应
簇主要集中在甲醇、甲醛和甲酸的代谢 [1]。叶酸这
种小分子在厚壁菌中还可通过与核糖开关结合来调
控基因的表达 [12]。在动物中,叶酸缺乏会导致高同
型半胱氨酸血症,肝脏的 DNA甲基化水平会明显
叶酸分子由3部分组成:蝶啶、对氨基苯甲酸环和谷氨
酸尾。图中所展示的四氢叶酸为单谷氨酸形式,动植物中
的叶酸在第一个谷氨酸的γ位可以连上多个谷氨酸残基。不
同氧化水平的一碳单位可以连到N5和(或) N10上,如图中R1
和R2所表示的位置。在结构公式下列出了一碳单位的自然
形式[3]。
图1 叶酸的化学结构
姜 凌,等:作物叶酸生物强化第8期 1057
降低,发育也出现异常 [13]。植物的光呼吸活性依赖
于四氢叶酸,进一步影响植物的低氮胁迫反应 [14-15]。
同时,在植物中叶酸还参与其他多种生物学过程,
如苯丙氨酸向酪氨酸转化 [16]、光裂合酶活性 [17]、
叶绿素生物合成 [18]以及种子抗氧化胁迫等 [19]。另
外,拟南芥中多聚谷氨酸合成酶的失活也会导致暗
形态建成异常 [20],水稻叶酸生物强化导致种子代谢
谱发生明显变化 [21],玉米亚甲基四氢叶酸还原酶基
因的功能丧失导致木质素合成水平降低 [22]。
2 叶酸与人类健康的关系
2.1 人类对叶酸的利用方式
人类自身不能合成叶酸,只能从膳食中摄取。
叶酸从食物中释放出来,在空肠黏膜刷状缘处被吸
收到体内,进一步被肠道中的 γ谷氨酰羧基肽酶水
解去谷氨酸后才能有效转运到肠黏膜被吸收。接下
来,各类叶酸在肠细胞中都被转化为 5-甲基四氢
叶酸才能被运输到血液循环系统和其他组织器官
中,最后在体内再次形成多聚谷氨酸叶酸后参与人
体各类代谢反应 [23]。天然食物中叶酸衍生物的单谷
氨酸和多谷氨酸比例对叶酸的肠道吸收并没有显著
影响,说明肠道中用来水解谷氨酸尾的 γ谷氨酰羧
基肽酶的数量是十分充足的,只要膳食中有充足的
叶酸,不管哪种形式都可以被人类大量吸收 [24]。
2.2 人群叶酸缺乏现状
成年人每天需要至少摄入 400 μg叶酸以满足
生命活动的需求。叶酸摄入水平不足会导致巨幼红
细胞贫血和高同型半胱氨酸血症,也会增加患老年
痴呆症、冠状动脉硬化、中风和癌症的风险,孕妇
缺乏叶酸有可能导致胎儿出生时低体重、唇腭裂、
心脏病和神经管缺陷等 [25-28]。虽然几乎所有人类的
膳食中都含有叶酸,但叶酸摄入量在世界很多地方
都在最适度 (400 μg/d)以下,因而叶酸缺乏症成为一
个全球性的健康问题。2011年,全球死亡的 5岁儿
童中有 1/3是由于营养素摄入不足造成的,铁、锌、
叶酸和维生素 A的缺乏造成了贫困和疾病 [29]。叶酸
缺乏不仅在贫困人口中普遍存在,而且在食物数量
和品种都很丰富的发达国家中也较为常见 [1,29]。因
为叶酸主要在豆类、绿叶植物和一些水果中大量存
在,如果人们的主食是普通的小麦、玉米和稻米,
缺少高叶酸蔬果的摄入时,叶酸缺乏也时有发生;
在怀孕和哺乳的妇女中,叶酸缺乏症更容易加剧 [30]。
目前,我国评价人体叶酸营养状况最常用的指标是
红细胞叶酸及血清或血浆中叶酸的含量 [31]。近几年
的研究表明,中国的叶酸营养状况出现了地域上的
明显差异。例如,65岁至 74岁的老年人群中,南
方老年人群红细胞叶酸水平为北方的 2.2倍,叶酸
缺乏率为 1.0%,而北方老年人群叶酸缺乏率为
28.9%[32];新疆新源县哈萨克族居民叶酸的摄入量
只有正常值的 7.53%,血清叶酸水平低时,患食道
癌的风险高 [33]。中国儿童的叶酸营养状况也亟待改
进。例如,针对天津市儿童的叶酸营养状况调查
发现,叶酸缺乏高发区多集中于郊县经济不发达地
区 [34]。因此,改善全球,特别是中国人群叶酸营养
状况,是中国科学家一项必要而紧迫的任务。
3 作物叶酸生物强化策略和进展
3.1 叶酸的食品强化
作物、蔬果是人类和动物获取叶酸的主要来源。
然而,只有豆类和绿叶蔬菜中的叶酸含量较高,在
粮食作物中叶酸含量通常较低,尤其是禾谷类 [3]。
因此,在谷物中添加人工合成的叶酸或者食用叶酸
片来提高人体对叶酸的摄入是国际上的通行做法 [35]。
然而,过量摄入人工合成叶酸会导致人体 DNA甲
基化水平的变化 [36-37],加速结肠癌和前列腺癌的发
展和癌前期病变的发生 [38-39],也会导致维生素 B12
缺乏的人群出现认知功能障碍 [40]。另外,这种食品
强化措施也仅适用于城市,对于偏远贫穷地区较少
能普及。因此,作物叶酸生物强化可以通过一次性
投入,使众多的农村和城市人口受益,增加叶酸的
摄入量,并与其他营养干预手段互为补充 [41]。
3.2 叶酸生物强化的策略
基于对植物叶酸代谢途径的了解,科学家可以
设计不同的策略来有效提高作物中的叶酸含量,包
括加强叶酸合成代谢、促进叶酸稳定性以及回收利
用降解产物 [3,42]。在加强叶酸生物合成方面,可以
分别或者共同提高叶酸合成支路 GTPCHI和 ADCS
以及叶酸合成主干途径中的 DHFS的基因转录水
平,或者降低 γ-谷氨酰基水解酶的活性 [43-50]。由于
种子中储存的叶酸形式主要是 5-甲酰四氢叶酸,因
此,通过提高 5-甲酰四氢叶酸的含量可以提高叶
酸的总量。但是,5-甲酰四氢叶酸的过量积累或许
会抑制叶酸依赖性酶的活性,进而干扰一碳代谢反
应 [51]。因此,在增加叶酸稳定性方面,理论上可以
通过提高叶酸结合蛋白的活性来促进食物中叶酸的
生物利用率,而不是单一增加种子中的叶酸含量 [52]。
在增加叶酸利用率方面,可以引入外源的蝶啶还原
酶以促进蝶啶的还原再利用 [53]。除了上述这些转基
生命科学 第27卷1058
因策略以外,还可以通过鉴定叶酸积累关键调控基
因及其优良等位变异,进而通过基因聚合实现作物
叶酸生物强化之目的,但这方面尚未有报道。
3.3 作物叶酸生物强化研究进展
作物叶酸强化从 20世纪初就开始了大量尝试,
在增加叶酸合成方面有大量报道。首先使用的相关
基因是来源于大肠杆菌的 GTP环化水解酶 (GTP
cyclohydrolase I, GCHI, folE)、二氢叶酸合成酶
(DHFS, folC)、二氢蝶呤合成酶 (DHPS, folP)。当时
使用的启动子为 CaMV35S,转基因受体植物为拟
南芥。过表达 folE使得叶酸合成途径中的蝶呤含量
较对照组提高了 1 250倍,叶酸含量增加 2~4倍;
folC和 folP的过表达使转基因植物中的叶酸含量增
加了 1~2倍 [43-44]。之后在番茄中的研究表明,同时
增强两条支路中的 GCHI和 ADCS的酶学活性比单
独提高任一支路的活性对叶酸含量的提高效果要好
很多 [45-46]。在番茄中过表达来源于哺乳动物的 folE
基因,使得蝶呤类化合物增加了 3~140倍,叶酸含
量增加了 2倍 [45];与过表达拟南芥 ADCS基因的转
基因番茄杂交后,果实中叶酸含量比对照高出 25
倍 [46]。在水稻中,这个策略的应用十分成功 [47]。
将拟南芥的 ADCS和 GCHI基因分别由胚乳特异性
启动子 gluB1和 glb-1驱动并转化水稻,结果转基
因水稻中对氨基苯甲酸和蝶呤两个支路的代谢活性
分别得到加强,籽粒中叶酸提高了 100多倍,最高
为 38.3 nmol/g,相当于每百克鲜重含有近 2 mg的
叶酸,远超正常人群每日推荐摄入量。其后,还有
叶酸、抗坏血酸和胡萝卜素合成途径同时强化的转
基因玉米的报道,所使用的叶酸相关基因是来源于
大肠杆菌的 folE,叶酸含量提高了 2倍 [48]。此外,
当拟南芥 γ-谷氨酰基水解酶的活性降低 99%时,
其叶酸含量可以提高 34%[49]。最新的报道显示,在
马铃薯块茎中同时提高对氨基苯甲酸和蝶呤支路使
得叶酸含量提高 2倍 [50]。
上述叶酸生物强化作物都出现了一个共同的现
象:或者植物体内的对氨基苯甲酸提前耗尽,或者
蝶呤及其中间代谢物过量积累,由此导致转基因植
物种子的代谢谱也发生了变化 [21,45-47],而且上述的
代谢扰动很难通过现有遗传转化技术得到恢复。其
内源叶酸相关基因的转录水平在不同物种的转化事
件中也不同:转基因番茄内源叶酸代谢会由于外源
叶酸基因的转录而明显活跃,但在水稻、拟南芥和
马铃薯中,内源叶酸相关基因的转录水平并未发生
明显变化 [21,50,54]。此外,这些策略在一些特定的物
种中都遇到了瓶颈,例如拟南芥和马铃薯的叶酸提
高幅度都不大,其原因可能是对氨基苯甲酸和蝶呤
向线粒体的转运成为一个限速步骤 [50]。
在增加回收利用降解产物方面,向植物引入外
源蝶呤还原酶可能通过提高还原态蝶呤含量而提高
植物叶酸含量 [55]。在叶酸合成的胞质分支途径上,
蝶呤复合物由于被氧化而没有完全用于叶酸的合
成,同时,氧化态蝶呤还可能抑制叶酸合成 [56]。鉴
于此,鹿晔等 [53]将原生动物 (利什曼原虫 )中发现
的具有还原蝶呤芳香环功能的蝶呤还原酶转入拟南
芥,转基因植物相对于野生型的 5-甲酰四氢叶酸
含量仅提高 45%,总体效果远不如增强叶酸合成代
谢的策略。
近年来,作物叶酸生物强化的研究说明植物体
内叶酸合成途径很复杂,虽然在番茄中发现叶酸调
控机制可能包括翻译后水平和转录水平的前馈调控
及反馈调控,但这种情况并非在每个物种都出现,
说明可能还存在影响叶酸代谢的其他因素 [50,57]。
4 结语和展望
为了更有效开展作物叶酸生物强化研究,首先,
需要继续加深对植物体内叶酸代谢及其调控机制的
了解。目前,叶酸合成代谢途径已经基本阐述清楚,
然而,叶酸合成代谢的调控机理方面的研究还鲜有
报道。在转录水平,调控叶酸代谢的关键转录因子
基因尚未分离,也不知道是否有 miRNA参与叶酸
代谢调控;在翻译及翻译后水平上,叶酸关键合成
酶是否存在甲基化或磷酸化修饰;在代谢物水平上,
叶酸代谢是否还有旁支,叶酸各类衍生物如何转运。
上述问题的回答将有助于准确找到叶酸生物强化的
突破点 (候选基因 ),采取科学合理的分子设计育
种策略,最终实现作物叶酸生物强化之目标。其次,
应加强对现有作物种质资源的挖掘,通过全基因组
关联分析和候选基因的连锁分析,挖掘调控种子叶
酸积累水平的新基因,再结合分子标记辅助选择育
种,将优良等位变异快速导入具有其他优良农艺性
状的亲本中,缩短育种周期、提高育种效率。另外,
基于此可以快速鉴定种质资源 (亲本 )的遗传多样
性,有效地选配亲本,最后利用 F2群体及衍生群体、
回交群体、重组自交系群体、双单倍体群体及同时
应用多种群体筛选聚合株系,有可能实现作物叶酸
生物强化的突破 [58]。最后,应将叶酸生物强化育种
与医学及营养学相关学科紧密融合,明确不同叶酸
衍生物对动物或人体发育的影响,在分子水平上揭
姜 凌,等:作物叶酸生物强化第8期 1059
示植物来源的叶酸与化学合成叶酸的生物有效性有
何区别。上述问题的阐明将大大促进叶酸生物强化
育种工作的开展,并最终对人类的营养健康产生积
极的影响。
[参 考 文 献]
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