ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃａｓｂ．ｏｒｇ．ｃｎ第一作者简介：张建成，男，１９７４年出生，山西农业大学讲师，华中农业大学在职博士研究生生，主要研究方向为生物技术与果树遗传育种。
通信地址：０３０８０１山西省太谷县山西农业大学园艺学院。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｊｃｎｄ００１＠ｗｅｂｍａｉｌ．ｈｚａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ或ｚｊｃｎｄ００１＠１６３．ｃｏｍ。
通讯作者：刘和，男，１９６２年出生，山西农业大学副教授，主要研究方向为果树栽培生理。
收稿日期：２００７－０３－２８，修回日期：２００７－０５－１１。
植物类胡萝卜素生物合成及其调控与遗传操作张建成，刘和（山西农业大学园艺学院，山西太谷０３０８０１）摘要：类胡萝卜素是生物体内通过类异戊二烯途径合成的、自然界广泛存在的一大类天然色素物质的总称。
近年来，类胡萝卜素生物合成基因的分离和功能鉴定与有关类胡萝卜素生物合成调控机制研究的新进展，使通过遗传操作调控植物体内类胡萝卜素生物合成途径成为可能。
本文主要综述了近年来类胡萝卜素生物合成及其调控研究的进展，并介绍了应用转基因技术改变植物体内类胡萝卜素成分与含量的成功事例。
关键词：类胡萝卜素；生物合成及调控；转基因植物中图分类号：Ｑ９４５．１８文献标识码：ＡＲｅｃｅｎｔＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＣａｒｏｔｅｎｏｉｄＢｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ＲｅｇｕｌａｔｉｏｎａｎｄＭａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎＺｈａｎｇＪｉａｎｃｈｅｎｇ，ＬｉｕＨｅ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＨｏｒｔｃｕｌｔｕｒｅ，ＳｈａｎｘｉＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔａｉｇｕ０３０８０１）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃａｒｏｔｅｎｏｉｄｓａｒｅｉｓｏｐｒｅｎｏｉｄｍｏｌｅｃｕｌｅｓｔｈａｔａｒｅｔｈｅｍｏｓｔｗｉｄｅｓｐｒｅａｄｇｒｏｕｐｏｆｐｉｇｍｅｎｔｓｆｏｕｎｄｉｎｎａ－ｔｕｒｅ．Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｔｈｅｃｌｏｎｉｎｇａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｃａｒｏｔｅｎｏｇｅｎｉｃｇｅｎｅｓａｎｄｔｈｅｎｅｗｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｓｔｕｄｉｅｓｏｆｃａｒｏｔｅｎｏｉｄｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｍａｋｅｔｈｅｇｅｎｅｔｉｃａｌｌｙｍａｎｉｐｕｌａｔｉｎｇｃａｒｏｔｅｎｏｉｄｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓｐａｔｈｗａｙｔｏｂｅｐｏｓｓｉｂｌｅｉｎｐｌａｎｔｓ．Ｉｎｔｈｉｓｒｅｖｉｅｗ，ｔｈｅｒｅｃｅｎｔｌｙｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｃａｒｏｔｅｎｏｉｄｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｓｏｍｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｔｒａｎｓｇｅｎｉｃｐｌａｎｔｓｏｆａｌｔｅｒｉｎｇｔｈｅｃａｒｏｔｅｎｏｉｄｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｅｎｔｂｙｔｒａｎｓｇｅｎｉｃｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃａｒｏｔｅｎｏｉｄｓ，ＣａｒｏｔｅｎｏｉｄＢｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄＲｅｇｕｌａｔｉｏｎ，Ｔｒａｎｓｇｅｎｉｃｐｌａｎｔｓ类胡萝卜素是生物体内通过类异戊二烯途径合成而呈现红色、橙红色和黄色的一大类色素物质的总称。
除极少数非光合细菌合成Ｃ３０、Ｃ４５、Ｃ５０类胡萝卜素外，类胡萝卜素主要是由８个类异戊二烯单位缩合而成的Ｃ４０的四萜类色素。
迄今，在自然界中已发现６００多种Ｃ４０类胡萝卜素，主要作为高等植物、藻类和蓝细菌（ｃｙａｎｏｂａｃｔｅｒｉａ）光合膜的重要组分。
植物类胡萝卜素主要分布于植物叶绿体和有色体膜中，包括胡萝卜素（ｃａｒｏｔｅｎｅ）和叶黄素（ｘａｎｔｈｏｐｈｙｌｌｓ）两大类。
植物类胡萝卜素是光吸收复合体的重要组分，并且在保护光合器官、防止光氧化损伤等方面起着重要作用［１，２］。
植物类胡萝卜素也是许多花和果实中的重要色素，赋予植物花、果实等器官绚丽的色彩，用以吸引昆虫、鸟类或其它动物来进行授粉和传播种子［１］。
植物类胡萝卜素还是植物激素（如ＡＢＡ）［３］、防御化合物［４］和风味芳香物（如β－吲哚）［５］等许多生理活性物质生物合成的前体。
此外，β－胡萝卜素和含β－环的胡萝卜素是人类及动物体内维生素Ａ（ｒｅｔｉｎｏｌ）合成的前体［６］，许多其它非维生素Ａ类胡萝卜素，如叶黄体素（ｌｕｔｅｉｎ）、玉米黄质（ｚｅｔｘａｎｔｈｉｎ）、番茄红素（ｌｙｃｏｐｅｎｅ）在淬灭自由基、增强人体免疫力、预防心血管疾病和防癌抗癌等保护人类健康方面具有更为重要的作用［７］。
早在２０世纪５０、６０年代，人们就已逐渐阐明了类胡萝卜素生物合成的途径［８］。
迄今，应用反向遗传学技术［９］、转座子标签法［１０］、异源基因作探针筛选文库［１１］、基因图位克隆［１２，１３］及其工程大肠杆菌“颜色互补”等技术［１４］，将参与植物类胡萝卜素生物合成的基因均分离和鉴定，对植物类胡萝卜素生物合成途径、相关基因２１１··的表达和调控以及各种代谢酶的结构和功能的认识更为清晰。
笔者主要介绍近年来高等植物类胡萝卜素生物合成途径及其调控的分子生物学研究进展，以及植物类胡萝卜素基因工程所取得的研究成果和应用前景。
１高等植物类胡萝卜素生物合成途径１．１异戊二烯焦磷酸（ＩＰＰ）生物合成类胡萝卜素是由类异戊二烯聚合而成的萜类化合物，其生物合成的前体是含有Ｃ５的异戊二烯焦磷酸（ＩＰＰ）。
细胞中ＩＰＰ的合成是区室化的，甲羟戊酸（ｍｅｖａｌｏｎｉｃａｃｉｄ，ＭＶＡ）途径在胞质和内质网活跃进行，而甲基赤藓糖醇（ｍｅｔｈｙｌｅｒｙｔｈｒｉｔｏｌｐｈｏｓｐｈａｔｅ，ＭＥＰ）途径则存在于质体中。
高等植物、绿藻和细菌中，ＩＰＰ是通过ＭＥＰ途径形成的［１５，１６］，即首先由１－脱氧木酮糖－５－磷酸合酶（ＤＸＰＳ）催化３－磷酸甘油醛（ＧＡ－３－Ｐ）和丙酮酸（Ｐｙｒｕｖａｔｅ）缩合形成１－脱氧木酮糖－５－磷酸（ＤＸＰ），再由１－脱氧木酮糖－５－磷酸还原异构酶（ＤＸＲ）催化生成２－Ｃ－甲基－Ｄ－赤藓糖醇－４－磷酸（ＭＥＰ），然后依次通过２－Ｃ－甲基－Ｄ－赤藓糖醇－４－磷酸胞苷转移酶（ＭＣＴ）、２－Ｃ－甲基－Ｄ－赤藓糖醇－４－胞苷二磷酸激酶（ＭＣＫ）、２－Ｃ－甲基－Ｄ－赤藓糖醇－２，４－环焦磷酸合酶（ＭＣＳ）、１－羟基－２－甲基－２－丁烯基－４－磷酸合酶（ＨＤＳ）、ＩＰＰ／ＤＭＡＰＰ合酶（ＩＤＳ）五个酶的催化，将ＭＥＰ转化为ＩＰＰ和二甲基丙烯基焦磷酸（ＤＭＡＰＰ）（图１）。
１．２八氢番茄红素（Ｐｈｙｔｏｅｎｅ）生物合成ＩＰＰ是类胡萝卜素生物合成的前体。
ＩＰＰ在ＩＰＰ异构酶（ＩＰＰＩ）作用下，异构化生成ＤＭＡＰＰ，然后在牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶（ＧＧＰＳ）催化下，ＤＭＡＰＰ与３个ＩＰＰ分子缩合而生成含Ｃ２０的牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（ＧＧＰＰ）［１９］。
两分子的ＧＧＰＰ由八氢番茄红素合成酶（ｐｈｙｔｏｅｎｅｓｙｎｔｈａｓｅ，ＰＳＹ）催化形成第一个Ｃ４０的类胡萝卜素———八氢番茄红素（ｐｈｙｔｏｅｎｅ）。
在许多植物中，ＰＳＹ是由多个基因编码的，其表达具有器官或质体特异性［２０￣２２］。
番茄中有２个ＰＳＹ基因，其中Ｐｓｙ－１在花和果实中特异性表达，控制番茄果实成熟过程中的ＰＳＹ，Ｐｓｙ－２则主要在叶片中表达，控制绿色组织（包括成熟后仍表现为绿色的番茄果实）中ＰＳＹ［２３，２４］。
ＰＳＹ是植物中类胡萝卜素生物合成的一个限速酶，其编码基因为植物类胡萝卜素遗传工程中的首选目的基因［２３，２５］。
１．３番茄红素（Ｌｙｃｏｐｅｎｅ）生物合成植物体内由八氢番茄红素（ｐｈｙｔｏｅｎｅ）合成番茄红素（ｌｙｃｏｐｅｎｅ）是由八氢番茄红素脱氢酶（ＰＤＳ）、ζ－胡萝卜素脱氢酶（ＺＤＳ）和类胡萝卜素异构酶（ＣＲＴＩＳＯ）３个酶共同催化。
这３个酶的催化产物分别是是９，９＇－二顺式－ζ－胡萝卜素（９，９＇－ｄｉ－ｃｉｓ－ζ－ｃａｒｏｔｅｎｅ）、７，９，７＇，９＇－四顺式－番茄红素（７，９，７＇，９＇－ｔｅｔｒａ－ｃｉｓ－ｌｙｃｏｐｅｎｅ）和全反式番茄红素（ａｌｌ－ｔｒａｎｓ－ｌｙｃｏｐｅｎｅ），全反式番茄红素是类胡萝卜素进一步环化衍生的首选底物［１２，１３］。
细菌中的八氢番茄红素脱氢酶（ＣｒｔＩ）可催化番茄红素直接生成全反式番茄红素［２６］。
因此，在植物基因工程中，可以用细菌ＣｒｔＩ基因替代植物ＰＤＳ、ＺＤＳ和ＣＲＴＩＳＯ３个基因，而且由于细菌ＣｒｔＩ基因与高等植物ＰＤＳ基因仅有约３５％的同源性，因此可减少在转基因植物中经常出现的共抑制（ｃｏ－ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ）现象［２６，２７］。
１．４胡萝卜素（Ｃａｒｏｔｅｎｅ）生物合成番茄红素环化是植物体内类胡萝卜素生物合成途径的一个重要分枝点，由番茄红素β－环化酶（ＬＹＣＢ）和番茄红素ε－环化酶（ＬＹＣＥ）共同催化［２８］。
在β，β分枝，ＬＹＣＢ通过两步催化反应在番茄红素的两个末端各形成一个β－环，使番茄红素先转化为γ－胡萝卜素，继而生成β－胡萝卜素；在β，ε分枝，番茄红素先在ＬＹＣＥ催化下，在其一端形成ε－环，生成δ－胡萝卜素，继而在ＬＹＣＢ催化下，在其另一端形成β－环，生成α－胡萝卜素。
此外，莴苣中存在一种功能特殊的ＬＹＣＥ，可以催化番茄红素两个末端均形成ε－环，生成ε－胡萝卜素［２９］。
最近，在蓝细菌ＰｒｏｃｈｌｏｒｏｃｏｃｃｕｓｍａｒｉｎｕｓＭＥＤ４中分离鉴定了一种新的环化酶，具有催化形成β－环和ε－环的双重功能，使番茄红素生成α－胡萝卜素［３０］。
但是，在高等植物中，α－胡萝卜素的生成仍需ＬＹＣＢ和ＬＹＣＥ共同催化。
１．５叶黄素（Ｘａｎｔｈｏｐｈｙｌｌｓ）生物合成叶黄素是α－和β－胡萝卜素进一步由酶催化形成的含氧类胡萝卜素，其显着特征就是含有羟基基团或环氧基团。
胡萝卜素的β－环和ε－环羟基化是分别由β－环羟化酶（ＢＣＨ）和ε－环羟化酶（ＥＣＨ）催化的［３１］。
β，ε分枝的α－胡萝卜素在ＢＣＨ和ＥＣＨ共同作用下生成叶黄体素（ｌｕｔｅｉｎ）［３２］；而β，β分枝的β－胡萝卜素在ＢＣＨ作用下转变为β－隐黄质（β－ｃｒｙｐｔｏｘａｎｔｈｉｎ），进而生成玉米黄质（ｚｅａｘａｎｔｈｉｎ）［２７］。
叶黄体素是β，ε分枝的终产物，而玉米黄质在玉米黄质环氧化酶（ＺＥＰ）作用下生成花药黄质（ａｎｔｈｅｒａｘａｎｔｈｉｎ），进而生成堇菜黄质（ｖｉｏｌａｘａｎｔｈｉｎ）［２７］。
在强光胁迫下，堇菜黄质脱环氧化酶（ＶＤＥ）催化堇菜黄质转化为花药黄质，后者再转化为玉米黄质［３３］。
堇菜黄质在新黄质合成酶（ＮＸＳ）的催化下可转化为新黄质（ｎｅｏｘａｎｔｈｉｎ）［３４］，新黄质是高等植物类胡萝卜素生物合成β，β分枝的终产物。
此外，辣椒ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃａｓｂ．ｏｒｇ．ｃｎ图１植物类胡萝卜素生物合成途径［１２，１３，１７，１８］２１３··（ＣａｐｓｉｃｕｍａｎｎｕｕｍＬ．）果实中存在一种辣椒红素／辣椒玉红素合成酶（ｃａｐｓａｎｔｈｉｎ／ｃａｐｓｏｒｕｂｉｎｓｙｎｔｈａｓｅ，ＣＣＳ）［３５］，可以催化花药黄质转化为辣椒红素（ｃａｐｓａｎ－ｔｈｉｎ），然后在ＺＥＰ作用下转变为辣椒红素－５，６－环氧化物，再在ＣＣＳ催化下生成辣椒玉红素（ｃａｐｓｏｒｕｂｉｎ）。