[发明专利]一种在作物种子胚乳合成花青素的转基因育种方法

说明书

本发明公开了一种在作物种子胚乳合成花青素的转基因育种方法。本发明通过在作物中转入包含6个表达结构蛋白的基因和2个表达转录因子的基因的基因组合，获得种子胚乳为紫色的、合成花青素的转基因作物；6个结构蛋白为CHS、CHI、F3H、F3’H、DFR和ANS；2个转录因子为转录因子Pl和转录因子Lc。本发明是基于发明人发现2个调节基因和6个结构基因是在胚乳中高水平合成花青素所必需的，得到的研究成果。本发明首次在作物水稻的胚乳中实现了花青素的合成，并获得了无筛选标记的转基因“紫米”产品，可以直接用于食用，也可以作为原材料用于生产花青素的原料。本发明对于新的功能性作物育种具有重要的指导意义和生产应用价值。

技术领域

本发明涉及基因工程领域，特别涉及一种在作物种子胚乳合成花青素的转基因育种方法。

背景技术

花青素(Anthocyanins)属于酚类化合物中的类黄酮(Flavonoid)植物营养素，是一种水溶性色素，广泛存在于植物的花、叶和果实中，赋予了植物鲜艳的色彩。花青素具有强的抗氧化活性，对心血管疾病、糖尿病和一些慢性疾病具有较好预防作用，对人们的健康具有重要的促进作用。同时，花青素也是一种天然的色素，在食品、保健品、医药用品、化妆品、食品添加剂等领域具有广阔的应用价值。食物来源中，花青素主要在有色水果和有色蔬菜中，如葡萄、紫椰菜等，而在粮食作物中含量较少。天然的有色类粮食谷物，其花青素等色素是存在于谷物的种皮中。当有色谷物进行精加工去除种皮时，作为主要食用部分的胚乳是白色的且不含花青素。

黑米在东南亚各国是一种传统的重要营养保健食品，其主要营养物质是种皮中的花青素。传统食用的黑米都是糙米，其口感和蒸煮特性都较差，而去掉种皮变成精米后，又失去了种皮含有的花青素等营养成分。因此，如能在胚乳中产生花青素，则可以解决上述问题，增加稻米(精米)营养价值，这也是功能型水稻基因工程育种的主要目标之一。

花青素的生物合成与调控涉及到多个基因，包括结构基因(编码各类酶，催化形成花青素的基础结构)、修饰基因(编码糖基转移酶等，对花青素结构进行稳定加工)、转运蛋白(负责把花青素运到液泡储存)以及调控它们的器官特异和时空特异表达的调节基因。其中的调节基因主要是3个转录因子基因，它们的时空特异表达的MYB、bHLH和WD40蛋白因子形成三因子复合体(简称MBW)，可以激活上述的结构基因、修饰蛋白基因、和转运蛋白基因，以完成花青素的合成、修饰、和运转。本发明的研究发现，在白米水稻品种中，由于涉及花青素的生物合成的结构基因和调节基因大多是突变失去功能的或在胚乳不表达(或很低水平表达)的(见图1)，因此传统杂交育种方法不能实现花青素在胚乳的合成。而普通基因工程方法导入少数相关基因，如只导入在水稻胚乳表达的花青素调节基因，或只导入在水稻胚乳表达的几个花青素结构基因被证明是无效的，不能够构建花青素合成、修饰、和运转的完整途径，只能合成部分黄酮类中间产物，不能产生花青素(Shin et al.,2006；Ogo et al.,2013)。因此，采用多基因代谢工程的方法，导入在水稻胚乳特异表达的花青素合成途径完整的调节基因和结构基因，通过外源转基因表达以及激活内源基因的表达，共同作用才有可能在胚乳中实现花青素的合成。这相比较于已报道的在胚乳产生β-类胡萝卜素的“黄金大米”、在胚乳合成虾青素的“虾青素大米”(专利公开号：CN105907780A)、以及以胚乳作为生物反应器生产具有生物活性的“人血清蛋白米”，在胚乳中合成花青素需要更多的不同功能的基因及其组合，难度更大，因此目前还没有在水稻胚乳中生产花青素的报告。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种在作物种子胚乳合成花青素的转基因育种方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种在作物种子胚乳合成花青素的转基因育种方法，包括如下步骤：在作物中转入包含6个表达结构蛋白的基因和2个表达转录因子的基因构成的基因组合，获得种子胚乳为紫色的、合成花青素的转基因作物；