全 文 ：文章编号 :100028551 (2006) 022123205
植物种子重要成分的代谢工程
陈锦清　吴关庭
(浙江省农业科学院病毒学与生物技术研究所 ,浙江 杭州　310021)
摘 　要 :本文综述了植物种子重要成分 (淀粉、糖类、蛋白质和油脂等) 以及块茎、果实的代谢工程研究进
展。
关键词 :种子成分 ;淀粉 ;蛋白质 ;油脂 ;代谢工程
METABOLIC ENGINEERING OF IMPORTANT COMPONENTS OF PLANT SEEDS
CHEN Jin2qing 　WU Guan2ting
( Institute of Virology and Biotechnology , Zhejiang Academy of Agricultural Sciences , Hangzhou , Zhejiang 　310021)
Abstract :Advances in metabolic engineering of important components of plant seeds , tubers and fruits including starch ,
sugar , protein , lipid , and other nutrient substances were briefly reviewed in this paper.
Key words :seed composition ; starch ; protein ; lipid ; metabolic engineering
收稿日期 :2005204218
基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (30370910)和浙江省自然科学基金资助项目 (M303144)
作者简介 :陈锦清 (19532) ,男 ,浙江瑞安人 ,博士 ,研究员 ,从事植物基因工程研究。Email : yznszdz @zaas. org
　　植物种子 (包括块茎、果实) 的主要成分 (淀粉、糖
类、蛋白质和油脂等) ,同时也含有其他多种营养成分 ,
其含量与组分因不同的植物存在很大差异 ,作物品质
改良主要就是通过改变这些成分的含量、组分和结构
来实现。
植物体内的代谢产物多种多样 ,但归根到底都来
源于光合作用 ,是光合产物经不同的、复杂的代谢途径
转化合成的 ,生物体内的各种代谢途径组成一个有机
的相互关联的网络。在该网络中 ,每一代谢产物的合
成都有一系列酶的参与 ,其中往往存在着一种或几种
限速关键酶。通过代谢工程 ———基因工程的一个重要
分支 ,增强催化限速反应的酶的表达量或活性 ,提高代
谢流或在多条代谢途径竞争同一底物时 ,阻断其他竞
争代谢途径 ,改变代谢流 ,均能达到使所需目标产物大
量积累的目的。此外 ,采用基因工程手段导入外源基
因 ,扩展原有的代谢途径或构建新的代谢途径还可以
产生新的代谢产物。上述代谢工程基本策略不仅在理
论上可行 ,而且在实践上已有许多成功的事例。本文
就植物种子 (包括块茎、果实等) 重要成分的代谢工程
研究进展作一综述。
1 　淀粉与糖类
许多重要粮食作物的种子、块茎和块根的主要成
分是淀粉 ,包括直链淀粉和支链淀粉两种 ,其含量和质
量直接影响这些作物的品质与经济价值。现已明确 ,
淀粉生物合成所涉及到的关键酶主要有 ADP2葡萄糖
焦磷酸化酶 (AGP) 、淀粉合成酶 ( SS) 、淀粉分支酶
(SBE)和淀粉去分支酶 (DBE) 等 ,其中 AGP 催化葡萄
糖212磷酸形成 ADP2葡萄糖 ,为直链淀粉和支链淀粉的
生物合成提供共同底物 ,该底物在 SS 的作用下通过α2
1 ,4 糖苷键聚合成直链淀粉 ,在 SS、SBE和 DBE的共同
参与下合成支链淀粉。因此 ,AGP 催化的是淀粉生物
合成过程中的第一关键调控步骤。将 CaMV 35S 启动
子与 AGP 大亚基 cDNA 反向融合后导入马铃薯 ,转化
植株块茎中 AGP 活性只有野生型的 2 % ,淀粉含量仅
为野生型的 3. 5 %～5 % ;同时 ,随着淀粉含量的下降 ,
转化植株细胞内可溶性糖的比例显著升高 ,蔗糖和葡
萄糖含量分别达到块茎总干重的 30 %和 8 %[1 ] 。Lloyd
等用反义 AGP 基因转化马铃薯后发现 ,转基因块茎中
不仅直链淀粉含量大幅度下降 ,而且淀粉粒变小 ,支链
321　核 农 学 报　2006 ,20 (2) :123～127Journal of Nuclear Agricultural Sciences
淀粉积累了更多的短链[2 ] 。Weber 等将蚕豆 AGP 小亚
基 cDNA 反向置于种子特异表达的豆球蛋白 B4 启动
子控制之下 , 用其转化紫色阔叶野豌豆 ( Vicia
narbonensis) ,获得的转基因株系成熟中、后期子叶内
AGP 活性降低了 95 % ,成熟种胚的干重虽然与野生型
对照没有差异 ,但淀粉含量下降 18 %～35 % ,而蛋白
质含量提高 12 %～25 %[3 ] ,说明应用反义技术抑制
AGP 活性、降低淀粉含量会使更多的碳流转向蛋白质
等其他代谢产物的生物合成 ,增加这些产物的积累。
植物中的 AGP 对变构效应物敏感 ,用来自大肠杆菌对
变构不敏感的突变 AGP 编码基因转化马铃薯 ,块茎中
的淀粉含量比野生型对照植株提高 60 %[4 ] 。这一效
应只有在将 AGP 定位于叶绿体并由块茎特异表达启
动子驱动时才会产生 ,而组成型表达则是致死的 ,表明
在植物代谢工程研究中考虑目标组织、亚细胞定位和
酶的动力学十分重要。
淀粉合成酶 (SS) 包含两种类型 ,其中之一为淀粉
粒结合淀粉合成酶 ( GBSS) 即 waxy 蛋白。在无直链淀
粉的马铃薯中导入 GBSS 基因以后 ,转化植株块茎中
的直链淀粉含量基本恢复到正常水平或部分恢复到野
生型水平[5 ,6 ] 。相反 ,将 GBSS 基因反义导入马铃薯 ,
转基因块茎中的直链淀粉含量锐减 70 %～100 %[7 ] 。
Terada 等将 213kb 的 Wx cDNA 片段反义导入水稻基因
组 ,得到了 2 个无直链淀粉的株系[8 ] 。国内扬州大学
与中国科学院上海植物生理生态研究所合作 ,采用农
杆菌介导法将反义 Wx 基因导入正在大面积推广生产
的几个高产粳稻品种 ,选育出了 AW621 等 13 个稳定
遗传、表现优良的低直链淀粉含量的高产粳稻或粳糯
新品系 ,在龙特甫 B 等几个高直链淀粉含量的籼型杂
交稻重点亲本中 ,也初步获得了直链淀粉含量下降的
新型转基因材料。除此之外 ,通过 Wx 基因操纵降低
水稻直链淀粉含量还有不少报道[9 ,10 ] 。
淀粉分支酶 (SBE) 是支链淀粉生物合成遗传调控
的一个重要位点。Schwall 等通过同时导入 2 个 SBE
反义基因 ,将 SBE活性降至野生型对照的 1 %以下 ,获
得了支链淀粉消失的高直链淀粉转基因马铃薯 ,其淀
粉粒形态发生显著变化 ,磷含量提高了 5 倍多[11 ] 。
与淀粉和糖类生物合成有关的代谢工程还包括其
他的酶。Weber 等将来源于酵母的蔗糖酶基因与豆球
蛋白B4 启动子连接后 ,转化紫色阔叶野豌豆并使表达
产生的蔗糖酶定位于正在成熟胚的质外体 (apoplast) ,
获得的转基因植株种胚的鲜重与非转化对照没有显著
差异 ,但发育晚期子叶中淀粉和蔗糖含量分别下降了
50 %和 80 %左右 ,而葡萄糖和果糖含量分别提高了大
约 100 倍和 5～10 倍 ,葡糖262磷酸和果糖262磷酸含量
增加了 3～4 倍 ,表明酵母蔗糖酶的表达极大地改变了
子叶中的碳水化合物状态[12 ] 。酸性转化酶催化蔗糖
分解成葡萄糖和果糖的反应 ,在蔗糖代谢中起重要作
用。用酸性转化酶的反义基因转化番茄 ,转基因番茄
中蔗糖含量提高 ,甜度增加[13 ] 。环糊精是以α21 ,4 糖
苷键连接的含 6～8 个葡萄糖分子的环状寡聚物 ,原本
不存在于马铃薯中。将来自肺炎克氏杆菌的环糊精葡
萄糖基转移酶基因导入马铃薯 ,结果转基因马铃薯块
茎的质体中出现了少量环糊精[14 ] 。
2 　蛋白质及其氨基酸组分
蛋白质是植物贮藏器官中的 ,也是人类需要摄食
的主要营养物质之一。蛋白质代谢工程的一个重要方
面是导入新的外源蛋白基因 ,使转基因植物产生新的
蛋白质 ,提高转基因产品的营养价值。用β2云扁豆蛋
白和豌豆豆球蛋白的编码基因转化水稻 ,转基因水稻
种子中产生了目标蛋白 ,其中β2云扁豆蛋白含量最高
达 4 %[15 ,16 ] 。将水稻谷蛋白基因启动子驱动的大豆球
蛋白基因转入水稻 ,大豆球蛋白在转基因水稻种子中
积累并与水稻谷蛋白组装在一起[17 ] 。在这种转基因
水稻种子中 ,蛋白质含量比对照提高 20 %左右 ,普通
稻米所缺乏的一些重要氨基酸也得到了补充[18 ] 。大
豆铁蛋白编码基因在水稻谷蛋白基因启动子控制之下
转入水稻后 ,转基因种子胚乳中铁蛋白含量比对照高
出 3 倍[19 ] 。将菜豆铁蛋白基因导入水稻 ,也使稻米中
铁的含量增加了 2 倍[20 ] 。Penarrubia 等将甜蛋白基因
转入番茄 ,甜蛋白得到了表达和积累 ,获得的转基因番
茄甜度高、热量低 ,可用作糖尿病人理想的糖替代
品[21 ] 。
另一方面 ,通过代谢工程也可以降低甚至消除植
物种子中有害或过敏蛋白的含量 ,减少其对敏感人群
的危害。Tada 等应用反义基因技术将 14～16 kDa 的
过敏性蛋白的编码基因导入水稻基因组 ,获得的数个
转基因株系的种子中 ,过敏性蛋白含量显著低于对照 ,
而且这一特性能够稳定遗传[22 ] 。
蛋白质代谢工程的第三方面则是对贮藏蛋白的组
成进行修饰 ,使品质性状得到改善。小麦麦谷蛋白的
高分子量 (HMW)亚基的含量决定面团弹性 ,与烘烤品
质密切相关。通过增加编码 HMW 亚基的基因拷贝
数 ,或插入特殊的 HMW 亚基的编码基因 ,或改变
HMW 亚基本身的基因表达等策略 ,已成功提高了
HMW亚基的含量和面团弹性 ,改良了小麦面粉的烘烤
421 核　农　学　报 20 卷
品质[23～28 ] 。
人体必需的 8 种氨基酸通常来源于植物 ,然而没
有任何一种植物的贮藏器官中含有所有的必需氨基
酸 ,因此克服作物种子贮藏蛋白这一营养缺陷具有重
要意义。将棒状杆菌 ( Corynebacterium) 编码赖氨酸合
成途径关键酶———二氢吡啶二羧酸合成酶 (DHDPS) 的
基因 dapA 和大肠杆菌突变基因 lysC (编码赖氨酸合成
途径另一关键酶 ———天冬氨酸激酶 AK,对赖氨酸的反
馈抑制不敏感)分别连接叶绿体转移肽和种子特异表
达启动子后 ,导入油菜和大豆基因组 ,转基因种子中赖
氨酸含量增加了数倍[29 ,30 ] 。此外 ,Tu 等获得了甲硫氨
酸等必需氨基酸含量明显提高的转基因马铃薯[31 ] 。
3 　油脂及其脂肪酸组分
311 　油脂
油脂是油料作物种子的主要成分或主要成分之
一。目前 ,国际上提高植物种子油脂含量的代谢工程
基本上通过 3 条技术途径来实现。一是反义抑制磷酸
烯醇式丙酮酸羧化酶 (PEPCase)活性 ,使光合产物葡萄
糖经糖酵解后生成的磷酸烯醇式丙酮酸 ( PEP) 更多地
流向脂肪酸生物合成 ,而减少向蛋白质合成途径的分
配。这一反义 PEP 基因技术由本文作者原创性提出
并拥有自主知识产权。应用该技术已成功育成两个超
高油转基因油菜新品系超油 1 号和超油 2 号[32 ] ,其籽
粒含油量均比受体亲本提高 25 %以上 ,同时蛋白质含
量下降 ,其中超油 2 号的含油量最高达 5412 % ,查新为
世界甘蓝型油菜含油量最高值。
提高种子含油量的第二条技术途径是增强脂肪酸
生物合成限速酶乙酰辅酶 A 羧化酶 (ACCase) 活性。
ACCase 是碳流进入脂肪酸合成途径的重要调控位点 ,
它催化由乙酰辅酶 A 羧化产生丙二酰辅酶 A 的反应 ,
为脂肪酸的从头生物合成及脂肪酸链的延伸提供底
物。将拟南芥同质型 ACCase 基因 ACC1 与大豆叶绿
体转移肽和油菜 napin 特异表达启动子融合后导入油
菜基因组 ,获得的转基因油菜 T1 代成熟种子中ACCase
活性比对照提高 10～20 倍 ,含油量增加 5 %并改变了
脂肪酸组成[33 ] 。
溶磷脂酸酰基转移酶 (LPAAT) 是催化脂肪酸与甘
油结合形成三酰甘油酯的 3 种酶之一 ,增强 LPAAT活
性可以加快脂肪酸合成酯类的速度 ,消除脂肪酸合成
中的反馈抑制 ,这是目前提高植物种子油脂含量代谢
工程的第三条技术途径。研究结果表明 , 将酵母
LPAAT基因导入油菜基因组 ,转基因油菜籽粒含油量
提高了 1315 %[34 ] 。
312 　脂肪酸组分
植物脂肪酸可分为饱和脂肪酸 (软脂酸和硬脂酸
等) 、单不饱和脂肪酸 (棕榈油酸和油酸等)和多不饱和
脂肪酸 (亚油酸和亚麻酸等) 3 类。饱和脂肪酸可用于
加工生产人造黄油和制糕点用的油脂 ,增加其含量需
抑制硬脂酰 ACP 脱饱和酶活性。Knutzon 等用反义的
硬脂酰 ACP 脱饱和酶基因转化油菜 ,获得的转基因油
菜种子中硬脂酸含量由 2 %提高到 40 % ,增加了 20
倍[35 ] 。
然而 ,研究发现 ,长期食用饱和脂肪酸和多不饱和
脂肪酸都有损于人体健康 ,而且亚麻酸等多不饱和脂
肪酸容易氧化 ,使食用油不耐贮藏。因此 ,通过代谢工
程降低饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸比例、提高油酸
等单不饱和脂肪酸含量的研究受到了人们的重视。在
植物体内 ,油酸由硬脂酸在Δ92脂肪酸去饱和酶的催
化下生成 ,又可在ω62、ω32和 (或)Δ62脂肪酸去饱和酶
的催化下分别形成亚油酸、α2亚麻酸和 (或)γ2亚麻酸。
Martín 等从马铃薯中分离出一个ω32脂肪酸去饱和酶
cDNA 后 ,利用反义 RNA 技术使马铃薯转基因株系的
叶片和块茎中α2亚麻酸等三烯脂肪酸含量下降了
60 %[36 ] 。国外采用这种反义抑制油酸去饱和酶基因
表达的方式 ,已培育出油酸含量高达 85 %、多不饱和
脂肪酸含量极低的大豆和油菜新品种[37 ] 。国内石东
乔等将油酸去饱和酶基因 Fad2 反义导入油菜 ,也获
得了种子中油酸含量最高达 68172 %的转基因后
代[38 ] 。
大多数植物合成的脂肪酸终产物为 16～18 碳酸 ,
通过代谢工程在一般的油料作物中大量生产某些特定
脂肪酸如 8∶0～14∶0 的中链脂肪酸 ,可为工业生产提
供廉价的化工原料 ,产生十分巨大的经济价值。从月
桂树中克隆 12∶02ACP 硫酯酶基因并将其导入油菜 ,转
基因油菜中产生了大量的月桂酸[39 ,40 ] 。此外 ,将萼距
花的两个硫酯酶基因 Ch FatB1 和 Ch FatB2 各自转入
油菜后 ,转 Ch FatB2 基因的油菜中富集了 8∶0 和 10∶0
脂肪酸[41 ] ,最高含量分别达 11 %和 27 %。植物油中的
芥酸对人体健康不利 ,但却是一种非常有价值的广泛
应用于润滑剂、尼龙、化装品、塑化剂等生产的化工原
料。将来自希蒙德木的β2酮脂酰基 CoA 合酶基因
KCS1 和来自拟南芥的脂肪酸延伸酶基因 FA E1 导入
油菜 ,转基因种子中芥酸有了明显积累[42 ,43 ] 。
4 　其他成分
除了淀粉、糖类、蛋白质和油脂等主要成分以外 ,
521　2 期 植物种子重要成分的代谢工程
包括木质素[44 ] 在内的一些重要次生代谢产物的遗传
调控也受到较多的关注 ,其中研究报道最多的是类胡
萝卜素生物合成的代谢工程。类胡萝卜素是维生素 A
的重要来源 ,又是强抗氧化剂 ,对人体健康有重要作
用。焦磷酸二香叶脂 ( GGPP) 是合成类胡萝卜素、叶绿
醇和赤霉素的共同前体 ,八氢番茄红素合成酶是类胡
萝卜素生物合成中异戊二烯代谢途径的第一个酶 ,以
GGPP 为底物。将八氢番茄红素合成酶基因导入番茄
并使之在质体中强烈表达 ,导致多种器官中的类胡萝
卜素含量增加 ,而赤霉素和叶绿素含量降低[45 ] 。用噬
夏孢欧文氏杆菌的八氢番茄红素脱氢酶基因转化番
茄 ,类胡萝卜素总含量不变 ,但β2胡萝卜素含量提高了
3 倍[46 ] 。将番茄红素β2环化酶基因转入番茄 ,获得的
转基因番茄中β2胡萝卜素含量大大提高 ,同时类胡萝
卜素总含量也较对照增加[47 ] 。在油菜种子中特异表
达细菌八氢番茄红素合成酶基因 crtB 并使酶蛋白定
位于质体中 ,亦极大地促进了类胡萝卜素的合成 ,转基
因植株成熟种子中类胡萝卜素 (主要是α2和β2胡萝卜
素)含量提高了 50 倍 ,使种胚呈现橙黄色 ,而生育酚水
平显著降低 ,发育种子中的叶绿素含量也随之减
少[48 ] 。
Ye 等将维生素 A 原生物合成途径所涉及的 4 种
酶 ,即八氢番茄红素合成酶、八氢番茄红素脱氢酶、β2
胡萝卜素脱氢酶和番茄红素环化酶的编码基因同时导
入水稻并在胚乳中表达 ,使胚乳中产生并积累了维生
素 A 原和其他有重要营养价值的类萜成分[49 ] 。这种
转基因水稻因胚乳呈现金黄色而被称为“黄金稻”。维
生素 A 缺乏是许多发展中国家存在的一个严重的健
康问题 ,而稻米是发展中国家人们的主食 ,所以 ,“黄金
稻”今后如能商业化生产 ,将有助于克服发展中国家贫
困人口的维生素 A 缺乏症。
同大多数油料作物种子一样 ,拟南芥种子中含有
大量的γ2生育酚 ,但γ2生育酚的维生素 E 活性只有α2
生育酚的 10 %。将α2生育酚生物合成的最后一个酶
γ2生育酚甲基转移酶 (γ2TMT) 的编码基因导入拟南芥
并在种子中超量表达 ,大量的γ2生育酚被转化成为α2
生育酚 ,使种子中的维生素 E 活性增加了 10 倍[50 ] 。
在大豆、油菜和玉米中开展类似的代谢工程可提高膳
食中这一重要的抗氧化剂和维生素水平 ,对大众健康
具有十分积极的意义[51 ] 。
5 　问题与展望
迄今为止开展的植物种子成分的代谢工程基本上
都是对特定代谢途径中的单一关键位点进行遗传操
纵。在这种情况下 ,有时可能会出现上游代谢流不足
或下游代谢产物积累产生反馈抑制而使代谢工程不能
达到应有效果的现象。要克服这种现象 ,可采取两种
策略 ,一是同一代谢途径中的多个关键酶基因同时转
化 ,二是转录因子的调控[52 ] 。这两种策略的应用均有
赖于对目标代谢途径及其关键调控位点的全面了解以
及相应功能基因的克隆获得。随着植物生理学、生物
化学和分子生物学等学科的不断发展 ,生物体内越来
越多的代谢途径及其关键调控位点已为人们所认识 ,
另一方面 ,近年来许多生物的基因组全序列测序计划
相继完成 ,这些都为上述两种策略的实施提供了必要
基础。
植物种子成分的代谢工程在过去一、二十年间已
取得较大进展 ,获得了一批重要的甚至是令人瞩目的
研究成果 ,尽管这些研究成果中绝大多数尚未在生产
上实际应用 ,但它们潜在的经济效益和对人类健康具
有的利用价值却是不言而喻的[53 ] 。作者相信 ,今后应
用植物代谢工程这一定向育种手段 ,根据需要定向塑
造植物新品种 ,开发生产具有特殊营养品质和保健作
用的功能食品或高附加值工业产品 ,必将会对农业、食
品加工业和其他相关工业行业的可持续发展作出重大
贡献。
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2006 ,20 (2) :123～127
水稻新组合越优 2 号 (NHR111SΠZF02) ,在 200422005 年
浙江省区域试验和生产试验中表现突出。
在加强 NHR111S 应用的同时 ,为利用核技术构建
全新的杂交作物种子纯度鉴定和高效排假的种植方
法 ,该技术已延用于其他杂交水稻亲本和玉米、油菜等
其他杂交作物。如成功从珍汕 97A、Y22S 选育了携带
叶边缘白化、白化标记性状的不育系 A2ZS1、A2Y1 ,从
龙特甫 A、II32A、广占 63S、Y22S 选育携带黄叶标记的
不育系 H2LTF1、H2II1、H2GZ1、H2Y1 ,从甘蓝型油菜雄
性不育系陕 2A 和 8086A、白菜型油菜雄性不育材料
533A 和 02A 中选育分别携带淡黄色、黄色、黄绿、淡绿
叶色标记不育系 LCM1A、LCM2A、LCM3A 和 LCM4A
等。
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