刘耀光科研团队开发新型多基因载体系统并首创胚乳富含花青素的水稻新种质“紫晶米”

2017年6月27日，华南农业大学刘耀光研究员课题组，在国际著名学术期刊Molecular Plant在线发表了题为Development of “Purple Endosperm Rice” by Engineering Anthocyanin Biosynthesis in the Endosperm with a High-Efficiency Transgene Stacking System的研究论文(doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.molp.2017.05.008)，并被选为封面文章。该论文利用新研发的高效的多基因载体系统TGSII（TransGene Stacking II），首次实现了在水稻胚乳合成花青素的营养强化目标，培育出首例胚乳富含花青素的新型功能营养型水稻种质 “紫晶米”。论文第一作者为祝钦泷副研究员，通讯作者为刘耀光研究员。

植物合成生物学、代谢工程以及涉及多基因的重要农艺性状的改良，需要同时操控多个基因的导入和表达。尽管目前已有一些多基因载体系统，但其仍然存在操作困难，费时、效率低的问题。如何更加简单、高效地实现多基因组装与转化（Transgene Stacking），仍然是生物技术领域的一个急需解决的难题。花青素（Anthocyanin）是一类黄酮类植物色素，作为植物营养素具有强抗氧化活性，对人体健康具有重要的保健作用。天然的有色类谷物的花青素等色素只存在于种皮中，作为主要食用部分的胚乳不含花青素。如传统食用的黑米是糙米（种皮含花青素），其蒸煮特性和口感较差。因此，通过基因工程技术进行营养强化（Biofortification），在水稻胚乳合成花青素，是功能型水稻育种的重要目标。但由于花青素生物合成涉及多个基因，其代谢调控十分复杂，以及多基因操作的技术瓶颈，相关工作多年来未获得成功。

为了解决多基因基因工程技术的难题，刘耀光科研团队开发了新一代高效、简便的多基因载体系统TGS II（TransGene Stacking II），可实现多基因的高效快速组装和多个基因同时转化植物的目的。针对在水稻胚乳产生花青素的育种难题，该团队通过分析水稻品种花青素合成相关基因的序列和表达，发现白米品种水稻中存在多个调节基因和结构基因的功能缺失，以及其它相关基因在胚乳中的不表达或低表达状态。在此基础上，他们采用TGS II载体系统同时导入转录因子组合和整套结构基因组合的新策略，构建了一个具有10个基因的多基因载体，包括用于胚乳特异合成花青素的8个基因（由不同的胚乳特异启动子控制）以及2个筛选标记和标记删除的基因。通过农杆菌介导的遗传转化，在粳稻和籼稻中实现了花青素在胚乳的特异合成，首次创造出具有高抗氧化活性的紫色胚乳水稻“紫晶米”。

上述研究成果为合成生物学、复杂代谢途径的基因工程、和复杂农艺性状的遗传改良等提供了高效的技术平台。“紫晶米”新种质的成功培育，表明高效多基因载体系统TGS II的切实可行和广阔的应用前景，为谷物营养强化和功能性谷物育种提供了新的思路。多家国外科学媒体对该研究成果做了采访和新闻报道， 如AAAS (American Association for the Advancement of Science) 的 EurekAlert (https://www.eurekalert.org/pub_releases/2017-06/cp-get062017.php )和美国Discovery频道的科学新闻网站Seeker.com (https://www.seeker.com/health/biotech/gene-stacking-tool-produces-antioxident-rich-purple-rice )。该研究得到国家自然科学基金、农业部转基因专项和广东省公益与能力建设项目的资助。