多基因载体系统并首创胚乳富含花青素的水稻“紫晶米”
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。
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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。
