孙学军
让番茄也能制造维生素D 精选
2022-5-25 08:57
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据估计,全球有10亿人缺乏足够的维生素D,这种情况会导致各种健康问题,包括免疫和神经系统疾病。植物通常缺乏这种营养,大多数人通过动物产品获得维生素D,如蛋类、肉类和奶制品。经过基因编辑的番茄植物可以产生维生素D的前体,将来可能会提供一种动物来源关键营养素来源。

51日发表在《自然植物》(Nature Plants)杂志上的基因编辑番茄在实验室中暴露在紫外线下时,一些被称为维生素D3原的前体会转化为维生素D3。但这些植物尚未被开发用于商业用途,也不知道它们在室外生长时会如何。

英国洛桑研究所的植物生物学家jonathan Napier说,这是一个利用基因编辑提高作物营养质量的有希望的而且不同寻常的例子。这需要深入的番茄生物化学知识。你只能编辑你理解的东西,他说。正是因为我们了解生物化学,我们才能够做出这种干预。

 

维生素D可预防影响骨骼发育的缺乏症,并可转化为具有类固醇激素生物活性的产品,这些产品在包括大脑在内的许多器官中发挥信号作用。维生素D缺乏会影响免疫功能和炎症,并与微量营养素缺乏、癌症、帕金森病、抑郁症、神经认知功能下降、痴呆和冠状病毒病感染严重程度的风险增加有关。人体皮肤暴露在紫外线B (UVB)下,可以通过7-脱氢胆固醇(7-DHC),也被称为维生素D3原合成维生素D,但人体维生素D主要来源是饮食。全世界大约有10亿人患有维生素D不足,而且这个数字还在增加,主要是因为膳食供应不足。这一研究开发了一种植物中维生素D的新的膳食来源,以满足人们对解决维生素D不足的日益增长的需求,这与那些采用富含植物的饮食、素食或纯素饮食的人尤其相关。

在植物中鉴定维生素D2最初是由于某些植物的真菌感染。7-DHC是由一些植物合成的,如番茄,在合成胆固醇和甾体糖生物碱(SGA)的过程中,主要在叶片中。番茄叶的UVB暴露产生维生素D3。然而,植物通常不是维生素D3的最佳膳食来源,最好的是鱼和奶制品。蘑菇和酵母可以作为维生素D2的来源,暴露在UVB光下,但在几项流行病学研究中,维生素D2的生物有效性大大低于维生素D3

虽然7-DHC已在番茄叶片中被鉴定,但它通常不会在果实中积累,在果实中它作为SGAs形成的中间体绿色果实中的番茄素和成熟果实中的盾叶甲苷。最近有研究表明,在包括番茄在内的茄科植物中有一个重复的途径,其中一些酶的特定亚型通常负责植物甾醇和油菜素内酯的生物合成,产生胆固醇以形成SGAs16(1a)。这种植物甾醇和胆固醇生物合成的部分分离使代谢变得灵活,可以合成重要的激素(油菜素内酯)和更特殊的应激化学物质,如SGAs,具有杀菌、抗菌和杀虫特性。番茄SGA生物合成的重复途径的存在,使得7-DHC积累的工程相对简单。7-脱氢胆固醇还原酶(Sl7-DR2)的一种特殊亚型将7-DHC转化为胆固醇,用于叶片和果实中α-番茄碱的合成16(1a)。因此,敲除Sl7-DR2的活性应该会导致7-DHC的积累,而对植物甾醇和油菜素内酯生物合成的影响最小。为了在维生素D3原中对番茄进行生物强化,我们测试了通过聚类规则间隔短回文重复序列- CRISPR-Cas9基因组编辑来阻断Sl7-DR2活性以提高7-DHC水平的有效性。设计了两个单导向RNA (sgRNAs),序列位于Sl7-DR2基因的第二个外显子内(1b)sgRNAs与番茄中唯一的另一个固醇Δ7还原酶基因(Sl7-DR1)的同源性最小。我们在T1代中发现了5个独立的Sl7-DR2基因敲除等位基因,其中3个等位基因在两个sgRNAs (MUT#1MUT#2MUT#3)的外显子2序列中都有108bp的相同缺失。另外两个敲除等位基因是通过缺失2bp并插入1bp (MUT#5)或仅在第二个外显子插入1bp (MUT#4)来创建的,这两种方法都导致了帧移位并预测了Sl7-DR2蛋白的提前终止(1b)。在T1代中回收到纯合敲除等位基因,在T2代中,5个株系中有4个获得了缺少携带Cas9基因转移DNA (T-DNA)sgRNA序列的纯合敲除株系。

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基因编辑是一种允许对生物体基因组进行有针对性的改变的技术,被誉为培育更好作物的一种潜在方法。尽管通过将基因插入植物基因组而制造的转基因作物通常必须经过政府监管机构的广泛审查,但许多国家已经为基因编辑作物简化了这一过程——只要编辑相对简单,并且创造了一种也可能自然发生的突变。

Napier说,使用这种基因编辑来提高作物营养成分的方法相对较少。虽然基因编辑可以用来关闭基因的方式有利于消费者——例如,通过消除植物化合物可能导致过敏——它是更难找到突变基因的情况下将导致生产一个新的营养。对于真正的营养增强,你必须退一步想想,这个工具会有多有用?”Napier说。

尽管一些植物会自然产生维生素D,但这些维生素D后来往往会转化为调节植物生长的化学物质。阻断转化途径会导致维生素D前体的积累,但也会导致植物发育不良。英国诺维奇约翰英尼斯中心的植物生物学家凯西·马丁说:“如果你想种植高产植物,这是一个相当重要的考虑因素。

但茄科植物也有一个平行的生化途径,将维生素原D3转化为防御化合物。马丁和她的同事利用这一点对产生维生素D3原的植物进行了改造:他们发现,关闭这一途径,可以在不影响植物在实验室生长的情况下,导致维生素D前体的积累。

比利时根特大学的植物生物学家Dominique Van Der Straeten说,研究人员现在必须确定阻断这种防御化合物的产生是否会影响番茄在实验室外生长时应对环境压力的能力。

马丁和她的同事计划对此进行研究,并已获准在田间种植他们的基因编辑番茄。研究小组还希望测量户外紫外线照射对植物叶片和果实中维生素D3原转化为维生素D3的影响。在英国,它几乎注定要失败,马丁开玩笑说,指的是英国臭名昭著的多雨天气。她说,当她联系意大利的一位合作者,询问他是否可以在更阳光的条件下进行实验时,他回答说,他需要大约两年的时间才能得到监管部门的许可。

如果这些番茄在实地研究中表现良好,它们最终可能会成为消费者可以获得的有限的营养增强作物之一。但纳皮尔警告说,通往市场的道路是漫长的,而且充满了知识产权、监管要求和后勤挑战等复杂问题。黄金大米——一种能产生维生素a前体的转基因作物——花了几十年时间才从实验室转移到农场,去年才在菲律宾获准进行商业种植。

Van Der Straeten的实验室正在培育一种转基因植物,这种植物能产生更高水平的多种营养物质,包括叶酸、维生素原A和维生素B2。但她很快指出,这种强化作物对解决营养不良只会起到很小的作用。这只是我们帮助人们的方法之一,她说。显然,它将采取综合措施。

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-01443-2


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