全 文 ：提高豆科植物蛋氨酸含量的基因工程途径
收稿日期：2008-03-05
基金项目：国家自然科学基金项目（30370909※1）；国家转基因
植物研究与产业化开发专项（JY04-A-01）
作者简介：葛瑛（1983-），女，黑龙江人，博士研究生，研究方
向为植物分子生物学与基因工程。
*通讯作者 E-mail: ymzhu2001@yahoo. com. cn
葛 瑛，柏 锡，才 华，李 勇，纪 巍，朱延明*
（东北农业大学生命科学学院，哈尔滨 150030）
摘 要：豆科植物普遍缺乏蛋氨酸和半胱氨酸这类含硫氨基酸，影响了其营养品质。采用基因工程手段改造
内源蛋白基因，克隆异源高蛋氨酸蛋白基因，人工合成氨基酸平衡的蛋白基因，以及改造或过表达氨基酸代谢通
路中的关键酶基因，然后通过转基因手段转化豆科植物，会使蛋氨酸含量均有不同程度提高。另外，利用高蛋氨
酸的近缘种质资源进行有性杂交育种，通过化学诱变培育高蛋氨酸突变株，也可获得一些高蛋氨酸新品系。通过
对这些方法的比较分析，提出了提高蛋氨酸丰富蛋白表达量和蛋氨酸合成量两方面相结合的研究思路，为豆科植
物品质改良研究提供参考。
关键词：豆科；蛋氨酸；必需氨基酸
中图分类号：S565.1；S816.15；Q789 文献标识码：A
植物蛋白普遍存在氨基酸不均衡的现象，豆
科植物缺乏蛋氨酸和半胱氨酸等含硫氨基酸[1]，禾
谷类作物缺乏赖氨酸和色氨酸。优质蛋白来源大
豆（Glycine max L.）的种子蛋白蛋氨酸含量为 1.1%~
1.6%[2]，“牧草之王”苜蓿（Medicago sativa L.）叶蛋
白蛋氨酸为 1.5% [3]，优质牧草白三叶（Trifolium
repens L.）蛋氨酸为 1.2%[4]，均未达到联合国粮农
组织（FAO）规定的标准氨基酸比例（每种必需氨基
酸占总蛋白的 3.5%[5]）。蛋氨酸（Methionine，Met）
又称甲硫氨酸，是人和动物不能自身合成的必需
氨基酸之一。长期食用低蛋氨酸食物将导致疾病
发生，降低皮毛质量，同时影响其他氨基酸的吸
收利用。因此，为提高畜禽生产力，不得不添加
各种必需氨基酸来维持营养平衡。一般在配合饲
料中添加 1%的蛋氨酸，可以提高蛋白质利用率
2%~3%[6]。1998年，世界上用于饲料添加剂的蛋氨
酸产量达 53 万 t，2002 年接近 72 万 t [7]，预计到
2010年全世界蛋氨酸市场需求将达到 90万 t，我
国蛋氨酸需求量也将达到 10多万 t[8]。如果能培育
出氨基酸平衡的豆科作物，将节约大量的人力物
力。
由于现有作物品种资源在蛋氨酸含量方面的遗
传变异相当有限，所以通过常规育种手段提高作物
蛋氨酸含量的研究进展缓慢。利用基因工程手段，
可以实现目的基因的改造、新基因的合成，转基因
技术的出现使得特定基因在不同物种间转移成为可
能，因此，基因工程手段成为提高蛋氨酸含量的有
效手段。自从 Saalbach 等首次通过转基因技术提
高了蛋氨酸含量以来[9]，人们利用基因工程手段在
提高植物的蛋氨酸含量方面取得了很大进展。
1 改造内源蛋白基因
种子贮藏蛋白的序列分析结果表明，同一类组
分的蛋白质大都存在保守区段和可变区[10]，人工改
造可变区，插入高蛋氨酸编码序列，就有可能提高
总体蛋氨酸水平。
2S清蛋白的第 6～7个半胱氨酸残基间的氨基
酸序列是最可变的，将拟南芥菜（Arabidopsis
thaliana L.）2S清蛋白中这一区域内的 23个氨基酸
编码区用人工合成的富含蛋氨酸的编码序列代替，
获得了表达该蛋白的拟南芥、甘兰型油菜
（Brassica napus L.）和烟草（Nicotianal rustica L.），
其含量可占到高盐溶性蛋白总量的 1%~2%[11]。
Hoffman等对 7S组分的菜豆（Phaseolus vulgaris
L.）β-伴球蛋白基因进行了改造，将来自 15 ku玉
第 40卷 第 2期 东 北 农 业 大 学 学 报 40(2): 127~133
2009年 2月 Journal of Northeast Agricultural University Feb. 2009
文章编号 1005－9369（2009）02－0127－07
表 1 植物高含硫氨基酸蛋白质种类及其基本特点
Table 1 Category and characteristics of plant proteins rich in sulfur amino acid
米醇溶蛋白的含有 6个蛋氨酸密码子的 45 bp序列
插入到大豆 β-伴球蛋白基因的编码区中，获得了
表达该蛋白的转基因烟草[12]。但这种蛋白的积累量
仅占正常菜豆蛋白的 0.2%，而且只停留在内质网
和高尔基体上，而不是像正常菜豆蛋白一样定位在
蛋白体液泡中。三维结构研究表明，这是由于插入
片段影响了蛋白质的装配，影响了菜豆蛋白三聚体
的稳定性[13]。
大豆 11S 组分球蛋白，占大豆总蛋白含量的
40%，其含硫氨基酸含量是 7S组分的 5～6倍。由
多亚基组成，其中 G1、G2和 G3亚基蛋氨酸含量
较高，分别为 1.3%、1.5%和 1.1%；G4和 G5中含
量较低，分别为 0.4%和 0.6%[14]。将高蛋氨酸的寡
核苷酸片段插入到 Gy4（编码 G4亚基）基因的高可
变区转化烟草，在转基因烟草中有改造后 Gy4 基
因的转录产物，但是没有积累其蛋白亚基，可能是
因为多肽链没能正确折叠而造成[15]。将蛋氨酸密码
子插入 Gy1（编码 G1亚基）基因高可变区的 C端[16]，
转化烟草[17]和马铃薯[18]，在转基因植株中均获得了
表达产物。在 Gy1基因上加上 4联体蛋氨酸（V3-
1）编码序列，转入大豆，在转基因大豆中获得了表
达产物[19]。
球蛋白是多基因编码的，改造其中一个基因
所产生的蛋白产物所占比例太低，很难使蛋氨酸
含量提高到所需水平。可以进一步分析编码各亚
基基因的序列相似性，以期通过 RNAi 等技术沉
默该基因家族，提高改造后基因表达产物所占的
比例。
2 表达异源高蛋氨酸蛋白基因
植物中蕴藏着大量的高蛋氨酸蛋白基因（见表
1），通过转基因方法表达这些异源高蛋氨酸蛋白基
因，是目前提高植物蛋氨酸含量的主要方法[20]。目
前主要应用的有玉米醇溶蛋白、2S清蛋白等。
物种
Species
蛋白种类
Species of protein
蛋白分子质量（ku）
Mol Wt
含硫氨基酸含量
Content of sulfur amino acid
大豆
大豆
玉米
玉米
玉米
玉米
玉米
水稻
水稻
向日葵
巴西豆
极乐豆
大豆醇溶蛋白
大豆醇溶蛋白
γ玉米醇溶蛋白
δ玉米醇溶蛋白
β玉米醇溶蛋白
玉米醇溶蛋白
玉米醇溶蛋白
水稻醇溶蛋白
水稻醇溶蛋白
2S清蛋白
2S清蛋白
2S清蛋白
16
10.8
16
10
15
21
21
10
10
-
-
-
蛋氨酸 6.2%，半胱氨酸 18.8%[21]
蛋氨酸 12.1%[2]
含硫氨基酸共 21%[22]
蛋氨酸 22.5%，含硫氨基酸共 33%[23-24]
蛋氨酸 10%[25]
蛋氨酸 37%，含硫氨基酸共 40%[26]
蛋氨酸 27%[27]
蛋氨酸 18.2%，半胱氨酸 9%[28]
蛋氨酸 20%，半胱氨酸 10%[29]
蛋氨酸 16%，半胱氨酸 8%[30]
蛋氨酸 18%，半胱氨酸 8%[31]
蛋氨酸 16%[32]
早在 20世纪 90年代，辛世文等就利用富含蛋
氨酸的巴西豆 2S清蛋白基因进行了大豆品质改良
的研究，外源 2S 清蛋白表达量占种子总蛋白的
10%，蛋氨酸含量提高了 15%~40%[14]，另外，将
巴西豆 2S清蛋白导入菜豆 [33]、油菜 [34]、拟南芥和
烟草[11]，其蛋氨酸含量也都有不同程度的提高。但
蛋氨酸的提高幅度尚未达到人和动物的所需的水
平，转基因大豆中内源高蛋氨酸蛋白酶抑制剂的含
量也有所下降，同时因为该蛋白是一些人的致敏原
而限制了它的应用 [35]。Ealing 等将菜豆清蛋白 1
（PA1）基因转化白三叶和烟草，外源蛋白能够少量
积累[36]。Lee等将芝麻 2S清蛋白基因转化水稻，甲
硫氨酸和半胱氨酸含量分别提高了 29%~76%和
31%~75%[37]。
目前应用最广的异源高蛋氨酸蛋白是玉米醇溶
蛋白。玉米醇溶蛋白占种子总蛋白的 50%以上[26]，
按可溶性分为 4种类型 α、β、γ和 δ。α玉米醇溶
蛋白包括 22 ku和 19 ku醇溶蛋白，β玉米醇溶蛋
东 北 农 业 大 学 学 报 第 40卷·128·
白为 15 ku醇溶蛋白，γ玉米醇溶蛋白包括 27 ku
和 16 ku醇溶蛋白，δ玉米醇溶蛋白为 10 ku醇溶
蛋白。玉米醇溶蛋白虽然因缺乏赖氨酸而降低了其
营养品质，但其含硫氨基酸含量丰富。其中 15 ku
和 10 ku醇溶蛋白的蛋氨酸含量最高，分别为 10%
和 22.5%[38]。Dinkins将 15 ku玉米醇溶蛋白基因导
入大豆，半胱氨酸和蛋氨酸含量分别提高了 15%~
35%和 12%~20%[25]。表达 27 ku玉米醇溶蛋白的转
基因大豆中，半胱氨酸和蛋氨酸含量分别提高了
26.97%~29.33%和 15.49%~18.57% [39]。Kim 等克
隆了 11 ku的 δ-玉米醇溶蛋白基因，并将其导入
大豆，醇溶蛋白中的蛋氨酸含量提高了 1.5~1.7
倍 [40]，但是总蛋白的蛋氨酸含量并未得到提高 [41]。
Kim等以玉米醇溶蛋白为蓝本人工设计合成了编码
氨基酸平衡蛋白质的基因（ASP1），在马铃薯和水
稻中得到表达，并提高了必须氨基酸含量，将其导
入大豆的研究正在进行当中 [42-44]。10 ku玉米醇溶
蛋白在烟草和马铃薯块茎中都已稳定表达并提高了
蛋氨酸水平[45-46]。本研究室以 10 ku玉米醇溶蛋白
为蓝本，将其密码子改造为大豆偏爱密码子，设计
合成了高蛋氨酸蛋白（SCMRP）基因，并在大豆中
得到表达，后续研究正在进行当中。Sharma等将
玉米醇溶蛋白转化白三叶，表达量占可溶性蛋白的
0.3%~1.3%[47]。
王广利等克隆了水稻 10 ku醇溶蛋白基因，并
转化百脉根，获得了转基因植株，但关于该蛋白表
达情况未见到后续报道[28, 48]。吕德扬等将高含硫氨
基酸蛋白基因（HNP）转化苜蓿，获得含硫氨基酸含
量分别提高了 13.9%、16.6%和 20.8%的 3 株转基
因苜蓿[49]。
动物性食品蛋白质的氨基酸比例较均衡，人们
也尝试了把这些动物蛋白基因用到大豆品质改良
中。牛 β-乳蛋白已在转基因大豆种子中积累，占
总可溶性蛋白的 0.1％～0.4%[50]，但是否提高了蛋白
品质尚未见报道，另外素食消费者能否接受植物中
的动物成分也是需要考虑的问题。
3 促进蛋氨酸合成
游离的半胱氨酸和蛋氨酸可能是影响含硫蛋白
质积累的限制因素。转巴西豆 2S清蛋白基因的大
豆和转向日葵 2S清蛋白的羽扇豆，在外源高蛋氨
酸蛋白得到积累的同时，内源高蛋氨酸蛋白含量却
下降 [52]。而且有些研究表明，游离蛋氨酸含量会
通过调节高/低蛋氨酸蛋白的比例，影响合成蛋白
质的性质。转大豆 β-伴球蛋白（蛋氨酸含量低）的拟
南芥中，β-伴球蛋白（蛋氨酸含量低）表达量在添加
外源蛋氨酸时下降，而在缺硫条件下升高[53-54]。上
述结果说明，高含硫蛋白受环境中硫的可利用率的
调节：缺硫或硫过量条件都会导致蛋白质组分的特
异性改变[51]。因此，若要使蛋氨酸含量提高，还要
解决硫积累和蛋氨酸合成这一根本问题。
蛋氨酸的生物合成属于草酰乙酸衍生类型（天
冬氨酸类型），其中大多数关键酶和代谢产物的基
因和蛋白质相关信息已经比较清楚（见图 1）。其中
胱硫醚-γ-合成酶（Cystathionine-γ-synthase，CGS）
与苏氨酸合成酶（Threonine，TS）竞争共同底物 O-
磷酸高丝氨酸（O-phosphohomoserine，OPH）[55]，二
者催化效率相近，对 OPH的利用效率仅取决于二
者的含量[56]。大量试验证据表明，S-腺苷蛋氨酸正
调控 TS，蛋氨酸反馈抑制 CGS[51]。因此，可以通
过改造 CGS，减弱蛋氨酸对它的反馈抑制作用，
或减少 TS来合成更多的蛋氨酸。
苜蓿的氨基酸品质改良中，同时导入代谢酶
基因和高蛋氨酸蛋白基因，取得了很好的效果。
Golan 等将 15 ku 玉米醇溶蛋白基因和拟南芥胱
硫醚-γ-合成酶基因（AtCGS）分别导入苜蓿，再
进行杂交 [57]。转 AtCGS基因的苜蓿中游离蛋氨酸
含量明显提高，杂交后代的 15 ku 醇溶蛋白含量
明显高于仅转入 15 ku 醇溶蛋白基因的苜蓿。这
高丝氨酸
高丝氨酸激酶
半胱氨酸
胱硫醚-γ-合成酶
O-磷酸高丝氨酸
苏氨酸合成酶
苏氨酸 胱硫醚
胱硫醚-β-裂解酶
高半胱氨酸
甲硫氨酸合成酶
蛋白质 甲硫氨酸
S-腺苷甲硫氨酸合成酶
S-腺苷甲硫氨酸
图 1 植物蛋氨酸生物合成途径
Fig. 1 Methionine biosynthesis pathway in plants
葛 瑛等：提高豆科植物蛋氨酸含量的基因工程途径第 2期 ·129·
说明同时导入 CGS 这类促进蛋氨酸合成的基因
和适合的外源高蛋氨酸基因，提供了充足的蛋氨
酸库。
4 其他途径
有性杂交育种是新品种选育的有效手段。由于
栽培品种中缺乏高蛋氨酸种质资源，限制了高蛋氨
酸新品种（系）的培育。因此，拓宽种质资源是高蛋
氨酸杂交育种中亟待解决的重要问题。基因工程方
法获得的高蛋氨酸转基因新品系为有性杂交育种提
供了很好的中间材料。另外，引入近缘野生种以及
进行化学诱变等方法也取得了一些进展。
在大豆近缘种野生大豆中蕴藏着丰富的高蛋氨
酸种质资源。徐豹等测定了 104份野生大豆的蛋氨
酸含量，获得了 5份高硫氨基酸的优质种质，其中
含硫氨基酸含量最高达 3.253%[58-59]。大豆种子蛋白
有 2S、7S、11S这 3种组分，其中 7S球蛋白的含
硫氨基酸含量较低[60]。喜多村启介等发现了大豆 7S
球蛋白亚基缺失突变体和 11S球蛋白低蛋氨酸亚基
缺失突变体，育成两个“7S低下变异系统”，其含硫
氨基酸含量比普通品种高 1.17倍，蛋白质含量与普
通品种相比没有差异，也未出现生理异常[61]。金东
淳等引进该变异系统与国内优良品系杂交，获得了
13个含硫氨基酸总含量超过 3 g·16 gN-1的变异系
统，只是蛋白质含量有所下降[61-62]。
Imsande等用 0.5%甲基磺酸乙酯（EMS）进行人
工诱变，成功获得了蛋氨酸含量提高 20%的大豆
突变株[63]。James等诱变获得抗乙硫氨酸的大豆突
变细胞系，蛋氨酸含量比对照细胞系高 8.7 倍 [64]。
诱变方法获得苏氨酸合成酶活性降低的大豆突变愈
伤组织，蛋氨酸含量也有所提高[65]。但这些突变细
胞都未能再生出完整的植株。
从以上结果可以看出，化学诱变能够产生蛋
氨酸含量提高的突变体。但人工诱变不能控制突
变位点，不能保证在原优良性状的基础上，只突
变蛋氨酸相关基因。而且在植物体内，蛋氨酸除
作为蛋白质合成的原料外，还为细胞壁生物合成
提供甲基基团，为乙烯和多胺生物合成提供前
体，作为 S-腺苷蛋氨酸（SAM）的直接前体，间接
调控各种其他细胞过程，所以植物体内蛋氨酸含
量发生的剧烈变化，会影响植物的正常生长发
育。因此，还需要在提高蛋氨酸含量的同时，考
虑对植物生长发育的影响。
5 展 望
综上所述，高蛋氨酸蛋白比例的提高，有赖于
人工诱变的方法获得低蛋氨酸亚基缺失突变体，利
用转基因技术表达异源高蛋氨酸蛋白或改造后的内
源蛋白，或利用反义技术有针对性地消除低蛋氨酸
亚基基因家族。为选出合适的异源蛋白基因，可以
利用生物信息学手段对候选蛋白的特性进行分析预
测，例如用食物过敏原数据库（http://ambl.lsc.pku.
edu.cn）对蛋白质的致敏性进行分析评价。同时要
确保翻译后的蛋白质能够正确折叠，准确运输到相
应部位，并稳定积累。
在保证高蛋氨酸蛋白含量的同时，还要解决硫
积累和蛋氨酸合成这一根本问题。可以过表达或抑
制代谢通路中的关键酶，通过分子改造来改变酶活
性或对反馈抑制的敏感程度。这就需要更深入地了
解代谢网络和调节机制，以及与植物生长之间的关
系，在不影响植物正常生长发育的前提下提高植物
的营养品质。现在人们可以把各种新技术，如
DNA芯片转录谱分析、代谢组学和蛋白质组学研
究，与遗传学方法如转基因和 T-DNA 敲除相结
合，来研究蛋氨酸合成代谢网络的调节机制。随着
代谢组学研究的进一步发展，通过改造代谢通路中
的关键酶，提高蛋氨酸底物合成量，综合考虑高蛋
氨酸贮藏蛋白的表达量以及蛋白质的可用性，相信
能够获得氨基酸比例均衡大豆新品种（系）。
[ 参 考 文 献 ]
[ 1 ] Sun S S M, Liu Q. Transgenic approaches to improve the nutri-
tional quality of plant proteins[J]. In Vitro Cellular and Develop-
mental Biology-Plant, 2004, 40(2): 155-162.
[ 2 ] George A A, De Lumen B O. A novel methionine-rich protein in
soybean seed: identification, amino acid composition, and N -
terminal sequence[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,
1991, 39(1): 224-227.
[ 3 ] 王彦华, 王成章. 苜蓿叶蛋白研究应用进展[J]. 中国饲料, 2005,
20: 32-34.
[ 4 ] 杨晓贺, 陈默君. 几种豆科牧草的必需氨基酸[J]. 氨基酸杂志,
1993, 15(4): 11-12.
[ 5 ] Mandal S, Mandal R K. Seed storage proteins and approaches for
东 北 农 业 大 学 学 报 第 40卷·130·
improvement of their nutritional quality by genetic engineering
[J] . Current Science, 2000, 79(5): 576-589.
[ 6 ] 乔德堂. 动物的蛋氨酸营养研究进展[J]. 山东畜牧兽医, 2007,
28(4): 57-58.
[ 7 ] 郭建华. 全球蛋氨酸市场现状分析[J]. 精细与专用化学品, 2004,
12(11): 29-32.
[ 8 ] 陈英军, 张卓标, 吕海龙. 我国蛋氨酸生产现状及市场分析[J].
精细与专用化学品, 2005, 13(16): 22-24.
[ 9 ] Saalbach G, Jung R, Saalbach I, et al. Construction of storage pro-
tein genes with increased number of methionine codons and their
use in transformation experiments [J]. Biochemie und Physiologie
der Pflanzen, 1988, 183(2/3): 211-218.
[10] Nielsen N C, Dickinson C D, Cho T J, et al. Characterization of
the glycinin gene family in soybean [J]. Plant Cell, 1989, 1 (3):
313-328.
[11] De Clercq A, Vandewiele M, Van Damme J, et al. Stable accu-
mulation of modified 2S albumin seed storage proteins with higher
methionine contents in transgenic plants [J]. Plant Physiol, 1990,
94(3): 970-979.
[12] Hoffman L M, Donaldson D D, Herman E M. A modified storage
protein is synthesized, processed, and degraded in the seeds of
transgenic plants[J]. Plant Molecular Biology, 1988, 11(6): 717-
729.
[13] Lawrence M C, Suzuki E, Varghese J N, et al. The three-dimen-
sional structure of the seed storage protein phaseolin at 3 A
resolution[J]. EMBO J, 1990, 9(1): 9-15.
[14] Krishnan H B. Engineering soybean for enhanced sulfur amino ac-
id content[J]. Crop Sci, 2005, 45(2): 454-461.
[15] Nielsen N C, Jung R, Nam Y W, et al. Synthesis and assembly of
11S globulins[J]. J Plant Physiol, 1995, 145: 641-647.
[16] Gidamis A B, Wright P, Haque Z U, et al. Modification tolerability
of soybean proglycinin [J]. Biosci Biotech Biochem, 1995, 59:
1593-1595.
[17] Takaiwa F, Katsube T, Kitagawa S, et al. High level accumulation
of soybean glycinin in vacuole-derived protein bodies in endo-
sperm tissue of transgenic tobacco seed [J]. Plant Science, 1995,
111: 39-49.
[18] Utsumi S, Kitagawa S, Katsube T, et al. Expression and accumu-
lation of normal and modified soybean glycinins in potato tubers
[J]. Plant Science, 1994, 102: 181-188.
[19] El-Shemy H A, Khalafalla M M, Fujita K, et al. Improvement of
protein quality in transgenic soybean plants [J]. Biologia Planta-
rum, 2007, 51(2): 277-284.
[20] Hesse H, Kreft O, Maimann S, et al. Current understanding of the
regulation of methionine biosynthesis in plants [J]. J Exp Bot,
2004, 55(404): 1799-1808.
[21] Kho C J, de Lumen B O. Identification and isolation of methio-
nine -cysteine rich proteins in soybean seed [J]. Plant Foods for
Human Nutrition(Formerly Qualitas Plantarum), 1988, 38(4): 287-
296.
[22] Pedersen K, Argos P, Naravana S V, et al. Sequence analysis and
characterization of a maize gene encoding a high -sulfur zein
protein of Mr 15,000 [J]. Journal of Biological Chemistry, 1986,
261(14): 6279-6284.
[23] Kirihara J A, Hunsperger J P, Mahoney W C, et al. Differential
expression of a gene for a methionine -rich storage protein in
maize[J]. Molecular Genetics and Genomics, 1988, 211(3): 477-484.
[24 ] Kirihara J A, Petri J B, Messing J. Isolation and sequence of a
gene encoding a methionine-rich 10-kDa zein protein from maize
[J]. Gene(Amsterdam), 1988, 71(2): 359-370.
[25] Dinkins R D, Srinivasa Reddy M S, Meurer C A, et al. Increased
sulfur amino acids in soybean plants overexpressing the maize
15kDa zein protein[J]. In Vitro Cellular and Developmental Bio-
logy-Plant, 2001, 37: 742-747.
[26] Chui C F, Falco S C. A new methionine-rich seed storage protein
from maize[J]. Plant Physiology, 1995, 107(1): 291.
[27] 邹竹荣, 刘思泽, 俞梅敏, 等. 玉米 21 ku 富硫种子贮存蛋白的
cDNA 克隆及其序列分析[J]. 中国生物化学与分子生物学报,
1998, 14(6): 668-672.
[28] 王广立, 潜忠兴, 刘宝先, 等. 水稻 10kD 醇溶蛋白基因克隆, 序
列分析及对植物百脉根的转化[J]. 植物学报, 1994, 36(5): 351-
357.
[29] Masumura T, Shibata D, Hibino T, et al. cDNA cloning of an m-
RNA encoding a sulfur-rich 10 kDa prolamin polypeptide in rice
seeds[J]. Plant Molecular Biology, 1989, 12(2): 123-130.
[30] Kortt A A, Caldwell J B, Lilley G G, et al. Amino acid and cDNA
sequences of a methionine-rich 2S protein from sunflower seed
(Helianthus annuus L.) [J]. European Journal of Biochemistry,
1991, 195(2): 329-334.
[31] Sun S M , Slightom J L, Hall T C. Intervening sequences in a plant
gene-comparison of the partial sequence of cDNA and genomic
DNA of French bean phaseolin[J]. Nature, 1981, 289(5793): 37-
41.
[ 32 ] Zuo W N, Sun S S M. Purification and characterization of the
葛 瑛等：提高豆科植物蛋氨酸含量的基因工程途径第 2期 ·131·
methionine rich 2S seed proteins from the brazil nut family
(Lecythidaceae)[J]. J Agric Food Chem, 1996, 44(5): 1206-1210.
[33] Aragao F J L, Grossi de Sa M F, Almeida E R, et al. Particle bo-
mbardment-mediated transient expression of a Brazil nut methio-
nine-rich albumin in bean(Phaseolus vulgaris L.)[J]. Plant Mole-
cular Biology, 1992, 20(2): 357-359.
[34] Altenbach S B, Kuo C C, Staraci L C, et al. Accumulation of a
Brazil nut albumin in seeds of transgenic canola results in enhanc-
ed levels of seed protein methionine [J]. Plant Molecular Biology,
1992, 18(2): 235-245.
[35] Kelly J D, Hefle S L. 2S methionine-rich protein(SSA) from sun-
flower seed is an IgE-binding protein[J]. Allergy, 2000, 55: 556-
560.
[36] Ealing P M, Hancock K R, White D W R. Expression of the pea
albumin 1 gene in transgenic white clover and tobacco[J]. Trans-
genic Research, 1994, 3(6): 344-354.
[37] Lee T T T, Wang M M C, Hou R C W, et al. Enhanced methionine
and cysteine levels in transgenic rice seeds by the accumulation of
sesame 2S albumin[J]. Bioscience, Biotechnology, and Biochemi-
stry, 2003, 67(8): 1699-1705.
[38] Giannazza E, Viglienghi V, Righetti P B, et al. Amino acid com-
position of zein molecular components [J]. Phytochemistry, 1977,
16: 315-317.
[39] Li Z, Meyer S, Essig J S, et al. High-level expression of maize γ-
zein protein in transgenic soybean (Glycine max) [J]. Molecular
Breeding, 2005, 16(1): 11-20.
[40] Kim W S, Krishnan H B. Allelic variation and differential expres-
sion of methionine-rich δ-zeins in maize inbred lines B73 and
W23a1[J]. Planta, 2003, 217(1): 66-74.
[41] Kim W S, Krishnan H B. Expression of an 11kd methionine-rich
delta zein in transgenic soybean results in the formation of two
types of novel protein bodies in transitional cells situated between
the vascular tissue and storage parenchyma cells [J]. Plant Bio-
technology, 2004, 2(3): 199-210.
[42] Kim J H, Cetiner S, Jaynes J M. Enhancing the nutritional quality
of crop plants: design, construction and expression of an artificial
plant storage protein gene[C]. Molecular approaches to improving
food quality and safety. New York: AVI Book, 1992: 1-36.
[43] Zhang P, Jaynes J M, Potrykus I, et al. Transfer and expression of
an zrtificial storage protein (ASP1) gene in cassava (Manihot Escu-
lenta Crantz)[J]. Transgenic Research, 2003, 12(2): 243-250.
[44] Potrykus I. Nutritional improvement of rice to reduce malnutrition
in developing countries[J]. Plant biotechnology 2002 and beyond,
Orlando, Horida, USA: Proceedongs of the loth IAPTC and B
Congress, 2003: 401-106.
[45] Bagga S, Adams H P, Rodriguez F D, et al. Coexpression of the
maize δ-zein and β-zein genes results in stable accumulation of
δ-zein in endoplasmic reticulum-derived protein bodies formed
by β-zein[J]. Plant Cell, 1997, 9(9): 1683-1696.
[46] 李雷, 刘松梅, 胡鸢雷, 等. 导入玉米 10 ku 醇溶蛋白基因提高
马铃薯块茎中含硫氨基酸的含量[J]. 科学通报, 2000, 45(12):
1313-1317.
[47 ] Sharma S B, Hancock K R, Ealing P M, et al. Expression of a
sulfur -rich maize seed storage protein, δ -zein, in white clover
(shape Trifolium repens) to improve forage quality [J]. Molecular
Breeding, 1998, 4(5): 435-448.
[48] 王广立, 唐茂芝, 林忠平. 富硫蛋白基因对牧草百脉根的转化[J].
植物学报: 英文版, 1994, 36(3): 204-208.
[49] 吕德扬, 范云六. 苜蓿高含硫氨基酸蛋白转基因植株再生[J]. 遗
传学报, 2000, 27(4): 331-337.
[50] Maughan P J, Philip R, Cho M J, et al. Biolistic transformation,
expression and inheritance of bovine-Casein in soybean (Glycine
max) [J]. In Vitro Cellular and Developmental Biology, 1999, 35:
344-349.
[51] Galili G, Amir R, Hoefgen R, et al. Improving the levels of essen-
tial amino acids and sulfur metabolites in plants [J]. Biol Chem,
2005, 386: 817-831.
[52] Tabe L M, Droux M. Limits to sulfur accumulation in transgenic
lupin seeds expressing a foreign sulfur-rich protein[J]. Plant Phy-
siol, 2002, 128: 1137-1148.
[53] Naito S, Hirai M Y, Chino M, et al. Expression of a soybean (Gly-
cine max [L.] Merr.) seed storage protein gene in transgenic Arab-
idopsis thaliana and its response to nutritional stress and to absc-
isic acid mutations[J]. Plant Physiol, 1994, 104: 497-503.
[54] Hirai M Y, Fujiwara T, Chino M, et al. Effects of sulfate concen-
trations on the expression of a soybean seed storage protein gene
and its reversibility in transgenic Arabidopsis thaliana [J]. Plant
Cell Physiol, 1995, 36: 1331-1339.
[55] Galili G. Regulation of lysine and threonine synthesis [J]. Plant
Cell, 1995(7): 899-906.
[56] Curien G, Ravanel S, Dumas R. A kinetic model of the branch-
point between the methionine and threonine biosynthesis pathways
in Arabidopsis thaliana[J]. Eur J Biochem, 2003, 270: 4615-4627.
[57] Amira G, Ifat M, Tal M, et al. Soluble methionine enhanced the
东 北 农 业 大 学 学 报 第 40卷·132·
Genetic engineering for enhancement of
methionine in legume plants
GE Ying， BAI Xi， CAI Hua， LI Yong， JI Wei， ZHU Yanming
（College of Life Sciences, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)
Abstract: Low methionine and cysteine content limits legume plants’ nutritional value. All kinds of methods
have been employed and the methionine contents have been increased, such as modifying endogenous protein
gene, cloning heterologous protein gene, synthetic gene with perfect amino acid, and regulating key enzyme in
biosynthesis pathway, and then transforming them into legume plants. Relative species crossing and mutation
breeding also gain some useful lines. With the comparative analysis of these methods, a strategy combining the
methionine synthesis and methionine rich protein expression was proposed to be a reference to the legume plants
nutritional quality improvement.
Key words: legume; methionine; essential amino acid
accumulation of 15 ku zein, a methionine rich storage protein, in
BY2 cells and in alfalfa transgenic plants but not in transgenic
tobacco plants[J]. J Exp Bot, 2005, 56(419): 2443-2452.
[58] 徐豹, 张明, 路亲华, 等.野生大豆中的高含硫氨基酸种质[J]. 大
豆科学, 1993, 12(3): 265-266.
[59] 陈宏伟, 杨进军, 黄长干, 等. 高甲硫氨酸植物种子贮藏蛋白研
究进展[J]. 种子, 2007, 26(4): 55-60.
[60] 姜振峰, 赫卫, 汪洋, 等. 大豆种子 7S, 11S 球蛋白及 7S 球蛋白
亚基的研究[J]. 中国油料作物学报, 2007, 29(2): 32-35.
[61] 金东淳,金伦范. 大豆种子 7S球蛋白变异系统的含硫氨基酸分
析[J]. 延边农学院学报, 1994, 16(4): 224-228.
[62] 黄初女,金东淳,董艺兰, 等. 浅谈大豆蛋白质品质改良[J]. 吉林
农业科学, 2006, 31(1): 37-40.
[63] Imsande J. Selection of soybean mutants with increased concentra-
tions of seed methionine and cysteine [J]. Crop Sci, 2001, 41 (2):
510-515.
[64] James T M, John F T. Characterization of soybean tissue culture cell
lines resistant to methionine analogs[J]. Plant Cell Reports, 1988,
7(7): 473 - 476.
[65] Greenberg J M, Thompson J F, Madison J T. Homoserine kinase and
threonine synthase in methionine -overproducing soybean tissue
cultures[J]. Plant Cell Reports, 1988, 7(7): 477-480.
葛 瑛等：提高豆科植物蛋氨酸含量的基因工程途径第 2期 ·133·