[发明专利]改善植物的农艺和营养价值的方法

说明书

本发明涉及植物细胞、种子、组织和全植株的转化领域。更具体地讲，本发明涉及将编码类胡萝卜素生物合成途径所特有的一种或多种酶的重组核苷酸序列插入植物材料，以便改善其农艺和营养价值。

                   发明背景

前维生素A(β-胡萝卜素)缺陷是一种非常严重的健康问题，它会在以诸如大米之类的谷物作为几乎唯一的主要食物的世界人群中导致严重的临床症状。仅在东南亚，估计每年就有500万儿童发生眼睛疾病——干眼病，其中有2.5万人最终会失明(Sommer，1988；Grant，1991)。另外，尽管维生素A缺陷不是直接的死亡决定因素，但它与增加了的易患潜在的致命性疾病相关，如腹泻、呼吸道疾病和儿童疾病，如麻疹(Grant，1991)。根据UNICEF的统计数字，改善前维生素营养，每年能够预防1-4岁儿童中1-200万人的死亡，并能预防0.25-0.5百万儿童在以后时间死亡(Humphrey等，1992)。因此，非常需要提高主要食物中的类胡萝卜素含量。另外，已知类胡萝卜素有助于预防几种类型的癌症，并且证实了视网膜中的叶黄素和玉米黄素在预防黄斑变性方面的作用(例如，参见Brown等，1998；Schalch，1992)。

另外，类胡萝卜素作为人类食品和动物饲料以及在制药行业中作为着色剂具有广泛用途。另外，类胡萝卜素在“功能食品”中作为营养化合物的价值也在增加。这是因为某些类胡萝卜素，例如，β-胡萝卜素在哺乳动物体内具有前维生素-A特征。

类胡萝卜素是由8个异戊二烯单位缩合而产生的40个碳原子(C40)的类异戊二烯，所述异戊二烯单位是由生物合成前体——异戊二烯二磷酸酯产生的(参见图1)。在命名时，类胡萝卜素分成两种类型，即包括烃的胡萝卜素，和被称作叶黄素的加氧衍生物。它们在植物中的主要作用是，防止对质体的光合装置造成光氧化损伤。另外，它们在光合作用中参与集光，并且是光合反应中心的组成成分。类胡萝卜素是植物激素脱落酸的直接前体。

业已研究了图1所示的类胡萝卜素生物合成，并且业已在细菌、真菌、和植物中阐明了其途径(例如，参见Britton，1998)。在植物中，类胡萝卜素是在质体中形成的。

类胡萝卜素生物合成的早期中间体是香叶基香叶基二磷酸酯(GGPP)，它是通过香叶基香叶基二磷酸酯合成酶的作用由异戊烯二磷酸酯(IPP)和二甲基烯丙基二磷酸酯(DMAPP)形成的(参见图1)。随后的酶促步骤代表第一个类胡萝卜素专一性反应，是由八氢番茄红素合成酶催化的。该反应包括一个两步反应，导致两个GGPP分子的头对头的缩合，以便形成第一种尚未着色的胡萝卜素产物八氢番茄红素(Dogbo等，1988；Chamovitz等，1991；Linden等，1991；Pecker等，1992)。八氢番茄红素合成酶以两种形式存在：可溶的无活性形式和膜结合的/活性形式，并且它需要连位的羟基官能团以便在含有质体半乳糖脂的膜表面具有活性(Schledz等，1996)。

尽管在细菌和植物中八氢番茄红素的形成相似，但八氢番茄红素的代谢明显不同。在植物中，有两种基因产物按顺序起作用，以便产生着色的胡萝卜素番茄红素(Beyer等，1989)。这两种酶是八氢番茄红素脱饱和酶(PDS，例如，参见Hgueney等，1992)和ζ-胡萝卜素脱饱和酶(ZDS，参见Albrecht等，1996)。每引入两个双键都能分别通过六氢番茄红素产生ζ-胡萝卜素和通过链孢红素产生番茄红素。据信PDS通过质体醌(Mayer等，1990；Schulz等，1993；Norris等，1995)与一种膜结合氧化还原链机械连接(Nievelstein等，1995)，而ZDS以不同的方式机械地起作用(Albrecht等，1996)。在植物中，所述整个途径似乎与顺式结构的中间体相关(Bartley等，1996)。相反，在诸如欧文氏菌属的许多细菌中，产生所有4个双键的整个脱饱和序列是由一种基因产物(CrtI)完成的，将八氢番茄红素直接转化成番茄红素(例如，参见Miawa等，1990；Armstrong等，1990；Hundle等，1994)。已知这种类型的细菌脱饱和酶不容易受漂白型除草剂的影响，这些除草剂能有效抑制植物类型的八氢番茄红素脱饱和酶。