科学家开发出了富含维生素A的超级金莴苣

诸平

Scientists have developed super golden lettuce richer in vitamin A. Credit: UPV

据西班牙瓦伦西亚理工大学（Universitat Politècnica de València）2024年9月17日提供的消息，科学家开发出了富含维生素A的超级金莴苣（Scientists Have Developed “Super Golden Lettuce” Which Is Richer in Vitamin A）。

生物技术方法使叶片中的β-胡萝卜素(beta-carotene, b-carotene)增加了30倍，在不影响光合作用的情况下提高了其生物可及性。这可以提高叶菜(leafy vegetables)的营养价值。

该研究表明，通过生物技术方法和暴露在高光强度下，叶子中的β-胡萝卜素含量可以增加30倍。这种增强是通过开发新的储存区域来实现的，这些区域不会干扰像光合作用这样的基本功能。相关研究结果于2024年8月9日已经在《植物杂志》（The Plant Journal）网站在线发表——Luca Morelli, Pablo Perez-Colao, Diego Reig-Lopez , Xueni Di, Briardo Llorente, Manuel Rodriguez-Concepcion. Boosting pro-vitamin A content and bioaccessibility in leaves by combining engineered biosynthesis and storage pathways with high-light treatments. The Plant Journal, 2024, 119(6): 2951-2966. DOI: 10.1111/tpj.16964. First published: 09 August 2024. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.16964

参与此项研究的有来自西班牙瓦伦西亚市的CSIC-瓦伦西亚理工大学的植物分子与细胞生物学研究所{Institute for Plant Molecular and Cell Biology (IBMCP), CSIC-Universitat Politècnica de València, Valencia, Spain}和澳大利亚麦考瑞大学自然科学学院（School of Natural Sciences, Macquarie University, Sydney, New South Wales, Australia）的研究人员。

b-胡萝卜素是一种主要的类胡萝卜素(carotenoids)，是天然存在于植物和其他光合生物中的色素，具有抗氧化、免疫刺激和增强认知能力的特性，对健康有益。

具体来说，β-胡萝卜素是类维生素A(retinoids)的主要前体，类维生素A是具有基本身体功能(视觉、细胞增殖和分化、免疫系统等)的化合物，包括维生素A。

利用烟草植物(Nicotiana benthamiana)作为实验室模型，莴苣(Lactuca sativa)作为培养模型，由植物分子与细胞生物学研究所（IBMCP）的CSIC研究员曼纽尔·罗德里格斯·康塞普西翁（Manuel Rodríguez Concepción）领导的团队，已经成功地增加了叶片中β-胡萝卜素的含量，而不会对光合作用等其它重要过程产生负面影响。

这位CSIC的研究员解释说：“叶子需要类胡萝卜素，比如叶绿体光合复合体中的β-胡萝卜素，才能正常发挥作用。当叶绿体中产生过多或过少的β-胡萝卜素时，它们就会停止工作，叶子最终会死亡。”他总结说:“我们的工作通过结合生物技术的技巧和高光强处理，成功地在细胞区室中产生并积累了β -胡萝卜素，而这通常是不可能发现的。”

较高的积累和生物可及性（Higher accumulation and bioaccessibility）

这项发表在《植物杂志》（The Plant Journal）上的研究结果表明，通过在光合作用复合物之外创造新的地方来储存叶子中的β-胡萝卜素，可以增加叶子中的β -胡萝卜素水平。一方面，它们成功地将高水平的β -胡萝卜素储存在质体(plastoglobules)中，而脂肪储存囊泡自然存在于叶绿体(chloroplasts)中。这些囊泡不参与光合作用，通常也不积累类胡萝卜素。

该研究的第一作者卢卡·莫雷利（Luca Morelli）说：“通过分子技术和强光处理刺激质体的形成和发育，不仅增加了β-胡萝卜素的积累，而且提高了它的生物可及性，也就是说，它可以很容易地从食物基质中提取出来，被我们的消化系统吸收。”

蔬菜的生物强化（Biofortification of vegetables）

该研究还表明，通过生物技术手段，质体内的β-胡萝卜素合成可以与叶绿体外的β-胡萝卜素合成相结合。在这种情况下，合著者帕布罗·帕萨雷兹·科劳（Pablo Pérez Colao）说:“β -胡萝卜素在类似于质体的囊泡中积累，但位于细胞器和细胞核周围的水状物质——细胞质溶胶（cytosol）中。”

与未经处理的叶子相比，这两种策略的组合使可接近的β-胡萝卜素水平增加了30倍。β-胡萝卜素的大量积累也使莴苣的叶子呈现出特有的金黄色。

根据研究人员的说法，β-胡萝卜素可以在通常存在于叶子中的地方以外以一种更易于生物获取的形式产生和储存，这一发现“代表了通过生物强化莴苣（lettuce）、甜菜（chard）或菠菜（spinach）等蔬菜，改善营养而不放弃其特有的气味和风味的重大进步。”

这项工作得到了西班牙MCIN/AEI/{Spanish MCIN/AEI/10.13039/501100011033; MCIN/AEI-funded Spanish Carotenoid Network, CaRed (RED2022-134577-T/Agencia Estatal de Investigación)}、和欧洲下一代EU/PRTR和PRIMA项目{European NextGeneration EU/PRTR and PRIMA programs to MR-C (PID2020-115810GB-I00/Agencia Estatal de Investigación and UToPIQ-PCI2021-121941/Agencia Estatal de Investigación)}、加泰罗尼亚自治区政府{Generalitat Valenciana (PROMETEU/2021/056, AGROALNEXT/2022/067 and CIACIF/2021/278)}、戈登和贝蒂·摩尔基金会{Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF9319, grant DOI: https://doi.org/10.37807/GBMF9319)}、ARC合成生物学卓越中心（ARC Centre of Excellence for Synthetic Biology）、特威斯特生物科学（Twist Bioscience）、艾伦基金会（Allen Foundation）以及卡西亚基金会{La Caixa Foundation (INPhINIT program LCF/BQ/IN18/11660004)}的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Biofortification of green leafy vegetables with pro-vitamin A carotenoids, such as β-carotene, has remained challenging to date. Here, we combined two strategies to achieve this goal. One of them involves producing β-carotene in the cytosol of leaf cells to avoid the negative impacts on photosynthesis derived from changing the balance of carotenoids and chlorophylls in chloroplasts. The second approach involves the conversion of chloroplasts into non-photosynthetic, carotenoid-overaccumulating chromoplasts in leaves agroinfiltrated or infected with constructs encoding the bacterial phytoene synthase crtB, leaving other non-engineered leaves of the plant to sustain normal growth. A combination of these two strategies, referred to as strategy C (for cytosolic production) and strategy P (for plastid conversion mediated by crtB), resulted in a 5-fold increase in the amount of β-carotene in Nicotiana benthamiana leaves. Following several attempts to further improve β-carotene leaf contents by metabolic engineering, hormone treatments and genetic screenings, it was found that promoting the proliferation of plastoglobules with increased light-intensity treatments not only improved β-carotene accumulation but it also resulted in a much higher bioaccessibility. The combination of strategies C and P together with a more intense light treatment increased the levels of accessible β-carotene 30-fold compared to controls. We further demonstrated that stimulating plastoglobule proliferation with strategy P, but also with a higher-light treatment alone, also improved β-carotene contents and bioaccessibility in edible lettuce (Lactuca sativa) leaves.