扬州大学刘巧泉教授团队通过改造赖氨酸合成关键酶反馈抑制特性强化稻米赖氨酸含量

来源：植物科学最前沿

近日，扬州大学农学院刘巧泉教授团队和香港中文大学辛世文院士团队合作在国际生物技术著名期刊 Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“ Lysine biofortification in rice by modulating feedback inhibition of aspartate kinase and dihydrodipicolinate synthase ”的研究论文。该研究通过单个氨基酸突变，创制了对赖氨酸反馈抑制不敏感或者敏感降低的水稻天冬氨酸激酶(AK)和二氢二吡啶酸合酶(DHDPS)，为水稻赖氨酸强化和营养品质改良提供了新思路和新种质。

赖氨酸是禾谷类作物种子中的第一限制性必需氨基酸，因其含量较低而限制了其它氨基酸和蛋白质的吸收利用，进而会导致以禾谷类为主要食粮的人们和动物出现营养不良。因此，提高谷物中赖氨酸含量，尤其是水稻中赖氨酸的含量对于提高其营养价值和预防营养缺乏症具有至关重要的意义。在高等植物中，赖氨酸生物合成途径的限速步骤是由两种关键酶（图A），即天冬氨酸激酶(AK)和二氢二吡啶酸合酶(DHDPS)催化的，两者都对赖氨酸反馈抑制极为敏感；合成的赖氨酸又可通过赖氨酸酮戊二酸还原酶/酵母氨酸脱氢酶（LKR/SDH）分解。以往研究中都是通过导入外源基因提高作物赖氨酸含量。在前期研究中，刘巧泉课题组和辛世文院士合作，通过在水稻种子中过表达大肠杆菌来源的赖氨酸反馈抑制不敏感的AK和DHDPS突变基因，培育了一系列高赖氨酸水稻种质（Yang et al., 2016, J Exp Bot; 2018, Plant Physiol; Long et al., 2013, Plant Biotech J）。但在水稻中尚未挖掘内源性赖氨酸反馈抑制不敏感的AK和DHDPS突变体。
为了降低水稻内源AK和DHDPS对赖氨酸的反馈抑制，该研究对水稻AK和DHDPS蛋白的抑制靶标位点进行了点突变，获得了2个水稻AK突变体（AK1和AK2）和5个水稻DHDPS突变体（DHDPS1-DHDPS5）。跟水稻自然AK和DHDPS酶序列相比，每个突变体中仅含有单个氨基酸替换，且预测它们的蛋白序列均不具有致敏性。将突变后的蛋白在大肠杆菌中重组表达，结果显示这些重组蛋白对12mM浓度范围内的赖氨酸类似物AEC（S-(2-氨基乙基)-L-半胱氨酸）均不敏感（图B）。将突变的AK和DHDPS导入水稻，转基因成熟种子中游离赖氨酸含量显著升高，特别是含有突变的AK2和DHDPS1的成熟籽粒，其游离赖氨酸含量分别比未转化的野生型水稻提高了6.6和21.7倍。在此基础上，通过过表达修饰的AK2和DHDPS1，同时抑制水稻赖氨酸降解关键酶LKR/SDH表达，构建了编号为35A2D1L的多基因转化水稻株系，其游离赖氨酸水平分别比未转化对照（WT）和含有未突变AK和DHDPS的转基因水稻（35ADL）高58.5倍和39.2倍（图C）。35A2D1L转基因水稻籽粒中的总游离氨基酸和蛋白含量也有所提高。这些高赖氨酸转基因株系与亲本相比均表现正常的生长发育和种子表型（图D）。因此，突变的AK2和DHDPS1可用于改善水稻和其他谷物的营养品质。

图. 水稻赖氨酸代谢途径及其改造 

上述研究结果表明了赖氨酸合成途径的分子遗传修饰是提高水稻等重要作物游离赖氨酸水平的可行方法，为提高禾谷类作物营养品质提供了新的方向。扬州大学农学院青年教师杨晴晴和香港中文大学硕士生Wai-Han Yu为论文共同第一作者，刘巧泉教授和辛世文院士为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、国家转基因重大专项和盖茨基金等资助。