全 文 ：广 西 植 物 Guihaia 26(1)：76— 79 2006年 1月
利用基因工程提高植物维生素 E
营养品质的策略
王永飞，马三梅
(暨南大学 生物工程学系，广东 广州 510632)
摘 要 ：维生素 E是一种对植物 、动物和人类都具有重要作用的脂溶性维生素。而植物则是人类维生素 E的
主要来源。对维生素 E的结构和合成途径进行了简单的介绍 ，并重点综述了利用基因工程提高植物维生素 E
营养品质的策略。这些策略主要包括导入编码影响维生素 E总量相关酶的基因来提高维生素 E的总量 ；导入编
码影响维生素 E组成相关酶的基因，提高 生育酚在总生育酚中所 占的比例 ，从而提高维生素 E的活性。
关键词 ：植物；基因工程 ；维生素 E；生育酚
中图分类号 ：Q943；Q946．6 文献标识码 ：A 文章编号：1000—3142(2006)01—0076—04
Improving the vitamin E nutrition 0f
plant by gene engineering
W ANG Yong—fei．M A San—mei
(Department of Bioengineering，』inan University，Ouangzhou 510632，China)
Abstract：Vitamin E is an important class of lipid—soluble compounds with antioxidant activities that play a ver—
Y important role in plant，animal and human being．Plant is the main resource of the vitamin E，Based on pres—
enting a brief summary of the structure and biosynthesis pathway of vitamin E，the particular emphasis was
placed on the methods that used to improve the vitamin E nutrition of plant by gene engineering in this review，
This includes two complementary strategies：(i)Introducing the genes with encoding enzymes can increase the
flux through the tocopherol biosynthetic pathway to produce elevated levels of total tocols；(i)Introducing the
genes which encoding enzymes can affect the composition of tocols and make a—tocopherol the predominant
form of vitamin E，SO the activity of vitamin E is elevated．
Key words：plant；gene engineering vitamin E；tocopherol
维生素 E是人体和动物必须从食物 中摄取的
一 种微量营养素 ，是维持肌 肉、中枢神经系统和血管
正常代谢 ，以及许多生理功能所必需 的。维生素 E
具有很强的抗氧化能力，能通过 清除脂质过氧化所
产生的自由基而稳定生物膜 的脂双层 ，使细胞免受
过氧化的伤害(Brigelius—Flob．等 ，1999)。近年来的
研究表明，每天摄入适量的维生素 E可提高免疫功
能，防止或延缓人类许多慢性病的进程，降低患心血
管疾病和某些癌症的危 险(Vertuani等，2004)。在
临床上，维生素 E可用 于治疗老年性痴呆病 、高血
压、冠心病 、心肌梗塞 、动脉硬化 、血栓、不孕症、前列
腺癌和 阿尔茨 海默 氏病 (Alzheimer’S disease)等
(Ajawi等 ，2004)。在食品方面 ，天然维生素 E不
仅营养丰富，而且安全性高。主要是用于脂肪和含
油食品的抗氧化剂，保持加工食品稳定持久的新鲜
风味。维生素 E更适用于生产功能性保健和强化
食品，特别是用作婴幼儿食 品的抗氧化剂和营养强
化剂等。在饲料方面，维生素 E作为饲料添加剂，
收稿 日期：2004—1O-08 修回日期 ：2005—03—28
基金项目：鼹南大学博士启动基金(692017，692016)[Supported by Initial Foundation to Ph，D of Jinan university(692017，692016)]。
作者简介：王永飞(1 972一)，男 ，山西壶关县人 ，博士，副教授 ，硕士生导师 ，主要从事植物基因工程的研究。
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1期 王永飞等：利用基因工程提高植物维生素 E营养品质的策略 77
既是一种抗氧化剂 ，又可以提高动物免疫力，防治疾
病 ，改善肉质等。在化妆 品方面 ，天然维生素 E易
被皮肤吸收，能促进皮肤的新陈代谓十和 防止色素沉
淀 ，改善皮肤 弹性 ，且有美容 、护肤 、防衰老等功能。
因此，维生素 E作为营养补充剂和抗氧化剂广泛应
用于医药 、保健品、食品、营养品、化妆品和饲料等行
业中(雷炳福，2003；尤新 ，2000)。
1 维生素 E的结构
维生素 E是母育酚(toco1)不 同异构体的总称。
而母育酚是在苯环上含有多个 甲基的酚的苯并二氢
吡喃衍生物，由一个疏水侧链和一个芳香环的极性
头部组成(欧阳青 等，2003)。根据侧链 的饱和度可
分为生育酚(tocopherd，T)和三烯生育酚(tocot—
rieno1)两大类。生育酚含有饱和的侧链；而三烯生
育酚含有不饱和的侧链。每类依芳香环上甲基数 目
和位置的不 同又分别分 为 a、p、 、占一生育酚和 a、p、
、占一三烯生育酚。a一型有 3个甲基 ， 一和 一型有 2个
甲基 ，而 占一型仅有 1个甲基。在植物体内，主要的维
生素 E为生育酚；三烯生育酚在植物中的确切功能
现在还未知(胡英考，2004)。
2 植物体 内生育酚的合成途径
高等植 物通过 一系列的酶促反应合成生育酚
(欧阳青等 ，2003；胡 英考 ，2004；Hofius等 ，2003)。
整个途径的第一步是疏水尾部及芳香 环头部 的合
成。疏水 尾部 源 于 非 甲羟 戊 酸 途径 (non-meval—
onate pathway)产生 的异戊烯 焦磷 酸 (isopentenyl
pyrophosphate，IPP)。3分子 的 IPP在双栊牛儿基
二磷酸(gerany1gerany1 diphosphate synthases，GG—
DP)合酶(synthase)的催化 下依次线形地添加到其
异构体二甲基丙烯焦磷酸(dimethylallyl pyrophos—
phate，DMAPP)上而生成 C2。的 GGDP。GGDP随
后在 GGDP还原酶(reductase)的作用下 ，逐步还原
形成生育酚的饱和侧链——叶绿醇二磷酸 (phytyl—
diphosphate，PDP)。芳香 环头部来 自酪氨 酸降解
途径(tyrosine catabolism pathway)的对羟 甲基丙
酮酸(4一hydroxypheny1pyruvate，HPP)。HPP在对
羟甲基丙酮酸双加氧酶 (4-hydroxypheny1pyruvate
dioxygenase，HPPD)的催化下 合成尿 黑酸 (ho—
mogentisic acid，HGA)。
生育酚生物合成 的第二步是 HGA在尿黑酸叶
绿醇转移酶 (homogentisate phyty1transferase，HPT)
催化下 ，与 PDP发生缩合反应 ，生成 2一甲基一6一叶绿醇
苯醌(2一methyl一6一phytylbenzoquinone，MPBQ)。
生育酚合成的第三步是甲基化和环化。MPBQ
在 MPBQ 甲基转移酶 (methy1transferase，MT)的
催化下 ，生成 2，3一二 甲基一6一叶绿醇苯醌 (2，3-dime—
thyl一6一phytylbenzoquinone，DMPBQ)。 MPBQ 和
DMPBQ在生育酚环化酶(tocopherol cyclase，TC)
的催化下，分别生成 占一和 一生育酚。而后，在 一生
育酚甲基转移 酶( 一tocopherol methyl—transferase，
7-TMT)的催化下 ，占一和 一生育酚分别生成 一和 a一
生育酚。生育酚合成的途径可简单地总结如图 l。
3 利用基 因工程提 高植物体维生
素E营养品质的策略
3．1维生素 E合成相关酶基因的克隆
目前已从植物中鉴定和克隆的与维生素 E合成
相关酶的基因有 GGDP合酶、GGDP还原酶、HPT、
HPPD、TC和 一TMT等基因 (Ajjawi等，2004；欧阳
青等，2003；胡英考，2004；Hofius等，2003)。根据编
码的酶在合成途径 中所起的作用可以将这些基 因分
成两大类：一类主要影响维生素 E的总量，包括 GG—
DP合酶、GGDP还原酶、HPT和 HPPD基 因，它们主
要通过调节合成途径的流向而影响维生素 E的总量；
另一类主要影响维生素 E的成分 ，即 a、 取 生育酚
的相对含量 ，包括 TC和 7-TMT基因，它们主要是通
过调节植物组织中生育酚的成分而影响维生素 E的
活性。这是由于动物和人体肝脏中的生育酚结合蛋
白(tocopherol—binding protein，TBP)对 a-生育酚具有
高度的专一性 ，从而保证优先结合 生育酚。所以在
生育酚和三烯生育酚中，a一生育酚的生理活性最高，
并被人体优先吸收和利用。其它 3种生育酚(p、 、
生育酚)的相对活性分别为 5o 、1o 和 3 ；a一三烯
生育酚的约为 3o ，而其它三烯生育酚的约为 1o
(Kamal—Eldin等，1996)。
因此 ，利用基因工程 ，可以采用下列 2条途径来
改 良植物的维 生素 E营养 品质：第一 ：导入编码影
响维生素 E总量相关酶 的基 因，提高植物维生素 E
的总量；第二，导入编码影响维生素 E 的组分相关
酶的基因，提高 a一生育酚在总生育酚中所 占的比
例 ，从而提高维生素 E的活性 。
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3．2导入编码影响维生素 E总量相关酶的基因，提
高植物体内维生素 E的总量
3．2．1 HPPD基因 HPPD催化 HPP形成 HGA，在
植物基因组中过量表达 HPPD基因可 以提高植物维
生素 E的含量。例如在过量表达 HPPD基因的拟南
芥(Arabidopsis thaliana)中，HPPD酶活性至少 比对
照植株增加 1O倍，种子和叶子中的生育酚含量也分
别增加了 37 和 28 (Tsegayea等，2002)。
lHPD
上G(Re。duPcj歪tas原e)蛳l
PDP + HGA
上M(PeBlhQy甲ltr基an转sfe移ra酶Se，
I DMPBQ~． 酚 、化酶
I(Tocopherol cyclase) 上
MPBQ甲基转移酶 ◆ fMeth—yl cr⋯an sf⋯
era
⋯
sc) M
PBO -·-·---·----．----．--．．一
Y-TMT
DMPBQ
I Tc
Y—T
TMT 』
图 1 植物体 内的生育酚合成途径
Fig． 1 Tocopherol biosynthesis in plants
Falk等(2003)将大麦(Hordeum vulgare)的
HPPD基因在 35S启动子的控制下在烟草(Nicoti一
“nⅡtabacum)中过量表达。结果 发现 ，在转基因植
株中，HGA的合成能力增加 lO倍，种子中维生素 E
的含量增加两倍 。
另外 ，Rippert等 (2004)在 已过量表 达拟南 芥
HPPD基因 的烟草 中再 导人酵母 (Saccharomyces
cerevisiae)的预 苯酚 脱氢 酶 (prephenate dehydro—
genase)基因，结果发现 ，三烯生育酚在转基因植株
的叶子中大量积累，而在野生型植株的叶子 中是无
法检测到三烯生育酚。
3．2．2 HPT基因 Collakova等(2003)将 HPT基
因导人拟南芥基因组，使之在拟南芥中组成型表达，
结果发现 ，在转基 因植株 的叶片中，HPT的酶活性
比野生型植株的增加 10倍 ，生育酚的总量比野生型
植株增加 4．4倍 ；在 种子 中，HPT酶活性 比野生型
植株增加 了 4倍 ，生育酚的总含量 比野生型植株增
加 4O 。Savidge等(2002)在拟南芥 中过量表达拟
南芥的 HPT基 因，在 转基 因植 株种子 中也得到 了
同样的结果，但生育酚含量的增加数量是较低的，和
野生类型的转基因植 株水平相 比，增加的量为 0．4
～ 2倍 。
Cahoon等(2003)从大麦、小麦(Triticum aesti—
ZlUTI)和水稻 (Oryza sativa)中鉴定出了一个 HPT
突变体。它的序列明显地和以前已鉴定 的 HPT不
同。该蛋 白质的功能分析表明，它具有尿黑酸二栊
牛儿基转移酶(homogentisate gerany1gerany1trans—
ferases，HGGT)活性。HGGT催化一个和 HPT类
似的反应 ，不同之处在 于它的底物不是 PDP，而是
GGDP。HGGT是三烯生育酚合成中的一个限速
酶 ，因此 ，将 HGGT基因导人植物，也可以提高植物
的维生素 E的总量。例如 在拟南芥 叶子 中过量表
达大麦的 HGGT基因导致 叶子中维生素 E活性增
加 l5～2O倍 ；在玉米 (Zea mays)的种子 中过量表
达玉米的 HGGT的基 因导致三烯生育酚水平增加
2O倍。然而 ，由于三烯生育酚不能象 a一生育酚一样
很好地被人体吸收，因此在玉米种子中过量表达
HGGT导致三烯生育酚大量增加并不能使这些植
物维生素 E的营养价值增加很 多。但是 ，由于三烯
生育酚在体外具有较高的抗氧化活性(Kamal—Eldin
等，l996)，因此具有高水平三烯生育酚的转基因植
物可以作为化学抗氧化剂在工业 中应用，例如可以
作为油漆 、涂料和亲脂性产品的氧化稳定剂。并且 ，
现已报道，三烯生育酚在降低人类胆固醇中也许具
有一定的治疗作用(Theriault，1999)。
另外，通过过量表达编码脱氧木酮糖磷酸合成
酶 (deoxy—xylulose—phosphate synthase)的基 因来
增加非甲基戊酸途径的总流量例如 IPP，也可 以引
起拟南芥 叶片 中生 育酚含量 4O 的增加 (Estevez
等 ，2001)。
唆 a
上
_^
非 G
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王永飞等：利用基因工程提高植物维生素 E营养品质的策略 79
3．3导入编码影响维生素 E组成相关酶 的基因，提
高 a一生育酚在总生育酚中所占的比例
催化生育酚合成途径最后步骤的酶，尤其 月y—
TMT和 TC等对决定生育酚的成分是重要的。例如
在拟南芥中过量表达 月y—TMT基因使 a一生育酚的含量
由原来占总生育酚含量的 1 上升到 85 ～95 ，与
野生型植株相 比，种子中的 a一生育酚水平增加 8O倍
以上。这是通过分子操作在植物组织中提高维生素
E活性的第一成功事例(Shintani等，1998)。
在大豆(Glycine max)种子中不能积累 a一生育
酚 ，但 是 可 以 积 累 6一和 月y一生 育 酚。孟 山 都 公 司
(Monsanto Company)的 Van Eenennaam等(2003)
将拟南芥的 月y—TMT基因导人大豆基因组，使其在
大豆种子中过量表达，结果发 现，7-TMT过量表达
导致 95 的 6一和 月y一生育酚转化为 a一生育酚，维生素
E的活性增加 5倍。
中国科学院微生物研究所 的欧阳青等(2003)从
结球甘蓝(Brassica oleracea)中也克隆得到了 月y—TMT
基因，并在大肠杆菌 中表达 出了具有生物活性的
TMT，目前正在进行有关改良油料作物油质的尝试。
另外 ，在拟南芥种子中特异表达锌指蛋白转录
因子(zinc finger protein transcription factors，ZFP—
TFs)，可以增加 7-TMT基因的表达 ，从而提高种子
中的 a一生育酚的含量(Alison等，2004)。
4 结论和展望
利用基 因工程改 良植物的维生素 E营养品质，
不仅有助于人们从 日常膳食中获得高水平的生育
酚 ，达到增强体质 ，防病治病的 目的i而且还可以降
低维生素 E的生产成本，提高维生素 E产品的数量
和质量，这在医药、保健品、食品、营养品、化妆品和
饲料等生产中具有广泛的应用 前景 。我们相信 ，随
着植物分子生物学的深入研究和生物技术的不断完
善和发展，利用基因工程改良植物维生素 E营养品
质的研究将会取得更大的进展 。
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