[发明专利]一种利用转大豆GTPCHI和ADCS基因协同增效作用提高植物叶酸含量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及植物基因工程领域，具体地，涉及一种利用转大豆GTPCHI和ADCS基因协同增效作用提高植物叶酸含量的方法。 

背景技术

叶酸(folates)是四氢叶酸(THF)及其衍生物的总称，是一类水溶性B族维生素，又称为维生素B9、维生素B11、维生素M，其化学结构如图12所示。 

其中，THF由三部分组成：一个喋啶环(2-氨基-4-羟基-6-甲基喋啶)，对氨基苯甲酸pABA，和多聚谷氨酸(poly-Glu)(1-8个Gluλ连接)，又名喋酰谷氨酸。不同氧化状态的一碳单位，例如甲基，亚甲基，次亚甲基，甲酰基，连接到喋啶环的N5、pABA的N10或桥连两者从而形成四氢叶酸(THF)、5-甲基THF、5-甲酰THF、5，10-亚甲基THF多种叶酸衍生物。THF及其衍生物作为一碳单位的供体和受体，是介导一碳单位转移反应的重要因素。 

植物和微生物可以从头合成叶酸从而满足自身需求，而人类及动物则不能合成叶酸，只能通过饮食来获取。食用植物中除菠菜、豆类和椰菜等其叶酸的含量相对较高外，其他食物如粮食作物、蔬菜水果等的叶酸含量都很低，远不能满足人体对叶酸的需求量。一般正常人叶酸的需要量为200～400μg/d，世界卫生组织建议成人 至少为200μg/d，孕妇和乳母为400μg/d。 

叶酸是维持生物体正常生命过程所必需的一类有机物质，它对人体的重要营养作用早在1948年即已得到证实。人类(或其他动物)如缺乏叶酸可引起巨红细胞性贫血以及白细胞减少症，并会增加心血管疾病及癌症的发病率；叶酸对孕妇尤为重要，如在怀孕头3个月内缺乏叶酸，可导致胎儿神经管发育缺陷，从而增加脊柱裂、无脑畸形的发生率，在怀孕的前6周内若叶酸摄入不足，婴儿患无脑及脊柱裂畸形的可能性会增加4倍，其次，孕妇经常补充叶酸，可防止新生儿体重过轻、早产以及婴儿腭裂(兔唇)等先天性畸形；叶酸与维生素B12共同促进红细胞的生成和成熟，是制造红血球不可缺少的物质；而且叶酸在体内参与DNA、氨基酸、泛酸等的合成；叶酸可提供大量游离碳离子，供给制造神经末稍和构成传递神经冲动的重要化学物质原料，来保证人体神经系统的正常发育。临床上还发现叶酸具有抗肿瘤、促进婴幼儿的神经细胞与脑细胞发育及辅助治疗精神分裂症等作用。 

叶酸缺乏的现象在全球普遍存在，尤其在经济水平和生活水平较低的发展中国家和不发达国家。据调查显示，在发展中国家每年因叶酸缺乏而导致的婴儿出生缺陷至少有20万例，因叶酸缺乏而引起孕妇贫血的病例至少有1000万。目前美国和一些西方国家采取在食品中添加人工合成叶酸制剂的政策来满足人类需求，而这很难在食品加工业系统不健全、人口分布不平衡、经济条件有限的发展中国家实行，同时长期服用人工合成的叶酸是否会对人体带来不良副作用也很令人担忧。随着生物技术的日益发展，通过基因工程的手段改造叶酸合成代谢途径来提高食物中叶酸含量具有很大的吸引力和极其重要的意义。 

植物体内叶酸的生物合成已经研究的较为清楚，合成部位涉及到3个不同的亚细胞结构，即质体、线粒体和细胞质，分为三个分支，其分支图如图13所示。 

其中，蝶呤部分是在细胞质内以GTP为前体合成，对氨基苯甲酸的合成是以分支酸为前体在质体内合成，蝶呤和对氨基酸甲酸运输到线粒体参与合成叶酸。在此过程中，有两个关键酶，包括在蝶呤分支中，第一步反应中的GTP环化酶I(GTP cyclohydrolase I，GTPCHI)，能够催化GTP形成二氢新蝶呤三磷酸(DHNTP)，以及在pABA合成途径的第一步反应中的氨基脱氧分支酸合成酶(ADCS)。近年来的研究发现这两种叶酸关键酶在植物中的共表达可以有效提高植物中的叶酸含量。Rocio I等(2007)在研究中发现拟南芥GTPCHI过表达的转基因番茄中，叶酸含量高的果实中对氨基苯甲酸消耗殆尽，所以得出适当提高蝶呤的合成可增加组织中叶酸的含量。PABA的不足使得叶酸含量仅提高了2倍，推测在转GTPCHI基因的植株中补充PABA则能进一步提高叶酸含量。之后，他们将过量表达PABA和过量表达蝶呤的植株杂交，使这两个性状结合后，其成熟果实中叶酸含量提高了约25倍。这说明在番茄中GTPCHI和ADCS的共同作用对叶酸的合成很重要。大豆中叶酸的含量较高，大豆的GTPCHI和ADCS对叶酸的合成是否存在协同增效还没有报道。 

将大豆的GTPCHI和ADCS共表达，为进行作物蔬菜等的转化，提高粮食作物蔬菜中叶酸的含量，从而满足人类的日常需求，降低新生儿的出生缺陷，增强抵抗力，预防心血管疾病、癌症的发生等具有重要意义。