[发明专利]具有改变含量的甾体糖苷生物碱的植物

说明书

技术领域

本发明涉及甾体生物碱的生物合成中的关键基因以及具有改变含量的甾体生物 碱的遗传修饰植物，特别是具有降低含量的抗营养甾体糖苷生物碱的茄果类作物。

背景技术

植物王国产生通常具有属或科特异性的无数种不同的小化合物。这些分子(称为 次级代谢产物)对于产生其的细胞不是至关重要的，但促进生物体的整体健康。生物碱是次 级代谢产物的一个实例。它们是通常具有杂环结构的低分子量含氮有机化合物。植物中的 生物碱生物合成在发育期间以及响应于应力和病原体而受到严格控制。

一组广泛的三萜类-生物碱化合物普遍存在于植物中并且源自细胞质甲羟戊酸类 异戊二烯生物合成途径。甾体皂苷和甾体生物碱是由植物产生的三萜类化合物的两大类 别。甾体生物碱(SA)(也称为“茄属生物碱”)是属于茄科、特别是茄属的众多植物的常见成 分。百合科中的大量物种也产生甾体生物碱。

据估计在大约1350个物种中，茄属是开花植物的最大属之一，约占茄科中的物种 的一半。不同的结构组成和生物活性以及在包括番茄(Solanumlycopersicum)、马铃薯 (Solanumtuberosum)和茄子(Solanummelongena)的食用植物中的出现使得SA成为广泛 研究的主题(EichE.2008.茄科和旋花科-次级代谢产物：生物合成、化学分类学、生物学和 经济意义：手册(SolanaceaeandConvolvulaceae-secondarymetabolites: biosynthesis,chemotaxonomy,biologicalandeconomicsignificance:ahandbook) .Berlin:Springer)。

SA由C-27胆甾烷骨架和杂环氮组分组成，它被认为是在细胞质中由胆固醇合成 的。胆固醇转化成氨基醇SA应该需要若干羟基化、氧化和氨基转移反应(Eich2008,同上)， 并且在大多数情况下进一步糖基化以形成甾体糖苷生物碱(SGA)(ArnqvistL.等,2003.植 物生理学(PlantPhysiol)131:1792-1799)。SGA的低聚糖部分组分直接结合至在氨基醇甾 体骨架的C-3β处的羟基(糖苷配基)。所述低聚糖部分包括D-葡萄糖、D-半乳糖、L-鼠李糖、 D-木糖和L-阿拉伯糖，前两种单糖是主要单元。

SGA生物合成取决于编码UDP-糖基转移酶(UGT)的基因，其用各种糖部分装饰糖苷 配基(McCueKF等,2005.植物科学(PlantSci.)168:267-273；ItkinM等,2011.植物细胞 (PlantCell)23:4507-4525)。番茄糖苷生物碱代谢1(GLYCOALKALOIDMETABOLISM1/ GAME1)糖基转移酶(马铃薯SGT1的同源物)(McCue等,2005,同上)催化氨基醇番茄碱的半乳 糖基化(Itkin等,2011,同上)。

甾体生物碱在保护植物抵抗广泛多种病原体中起作用，并且因此被称为植物抗菌 素(phytoanticipin)(抗微生物化合物)。许多SGA对包括哺乳动物和人类的生物体是有害 的。当存在于可食用植物部分中时，这些有害的SGA被称为抗营养物质。SGAα-茄碱和α-查茄 碱是马铃薯中的主要有毒物质。这些SGA造成胃肠道和神经系统紊乱，并且在高浓度下可能 对人类是致命的。毒性机制包括细胞膜的破坏和乙酰胆碱酯酶活性的抑制(RoddickJ G.1989.植物化学(Phytochemistry)28:2631-2634)。为此，超过200mg/kg食用块茎鲜重的 总SGA水平被认为对于人类食用是不安全的。

正在尝试阐明甾体生物碱的生物合成途径和控制其产生。美国专利No.5,959,180 公开了编码酶茄啶UDP-葡萄糖葡糖基转移酶(SGT)的来自马铃薯的DNA序列。此外公开了用 于抑制SGT产生并从而降低茄果类植物例如马铃薯中的糖苷生物碱水平的手段和方法。