南京农业大学熊爱生教授团队通过代谢工程创制彩色胡萝卜新种质

胡萝卜是重要的根菜类蔬菜作物，肉质根中富含类胡萝卜素、花青素等色素，呈现白色、黄色、紫色、橙色、红色等不同的颜色。因其色素种类有限，通过传统育种技术培育新型颜色的胡萝卜较为困难。为了获得颜色更加丰富的胡萝卜新种质，利用合成生物学方法精准控制色素类物质在胡萝卜肉质根中的积累是创制彩色胡萝卜的有效途径。

2023年2月，Horticulture Research 上线了（Advance Access）南京农业大学熊爱生教授团队题为Generating colorful carrot germplasm through metabolic engineering of betalains pigments的研究论文，通过在胡萝卜肉质根中使用不同启动子驱动甜菜色素合成基因的表达，创制出多个彩色胡萝卜新种质。

甜菜色素是一类天然的水溶性色素，存在于一些石竹目植物及真菌中。甜菜色素通常分为两类：红紫色的甜菜红素和黄橙色的甜菜黄素。甜菜中甜菜色素的核心生物合成途径已被成功解析。在胡萝卜中分别组成型表达开放阅读框RUBY （包含BvCYP76AD1、BvDODA1和MjcDOPA5GT）和RUBY-S（包含BvCYP76AD1和BvDODA1）均能使整个胡萝卜植株变红，在肉质根中均能检测到甜菜苷的生成，但RUBY 转基因胡萝卜肉质根中的甜菜色素含量更高（图1）。积累甜菜色素的转基因胡萝卜肉质根抗氧化活性均显著高于野生型胡萝卜（图1）。进一步利用根特异性启动子驱动RUBY 在胡萝卜肉质根中表达，转基因胡萝卜肉质根呈玫红色，地上部仅在叶柄中有少量甜菜色素积累，在叶片及花中均无明显甜菜色素积累（图2）。利用根形成层特异性启动子在胡萝卜肉质根中驱动RUBY，得到的转基因胡萝卜肉质根横切面产生如火山般的表型（形成层部分积累大量甜菜色素，形成明亮的红圈，并在木质部有微量的甜菜色素积累）（图2）。通过光学显微镜观察肉质根横切面，发现红圈部分的形成层细胞紧密堆叠并排列成环形，产生火山般的肉质根表型（图2）。本研究利用RUBY 在胡萝卜肉质根中异源合成甜菜色素，增加了我们对甜菜色素合成代谢的认识，也为胡萝卜育种提供了色彩丰富的种质资源。

南京农业大学作物遗传与种质创新利用全国重点实验室、园艺学院蔬菜学国家重点学科伞形科蔬菜遗传与种质创新实验室的博士研究生邓元杰和段奥其为论文共同第一作者，熊爱生教授为论文通讯作者。徐志胜副教授、刘慧讲师、博士生王雅慧、张榕蓉参与了本研究。该研究得到了国家自然科学基金（32072563）项目、宁夏回族自治区重点研发项目（2022BBF02008）和江苏高校优势学科建设项目（PAPD）的资助。感谢美国加州大学圣地亚哥分校生物系赵云德教授和南京农业大学农学院和玉兵副教授分享pDR5:RUBY质粒。

文章链接：

‍https://doi.org/10.1093/hr/uhad024

转自：“园艺研究”微信公众号

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