基于植物合成生物学的生物强化策略及最新进展

生物强化通过传统育种或生物技术手段提升植物组织中的营养水平，植物合成生物学的突破性进展显著推动了生物强化策略的升级，使精准、有针对性的营养强化成为可能。

一、基于合成生物学的生物强化策略

维生素B1（硫胺素）缺乏曾引发以脚气病为代表的疾病，在以精白米为主食的地区尤为流行。尽管全球粮食产量提升，膳食单一仍使维生素B1缺乏成为突出问题。作为全球主粮，水稻自然成为生物强化的重点对象。以下以维生素B1为例，具体阐释五大合成生物学策略：

1. 内源生物合成基因过表达

通过增强代谢通路中关键酶的表达量提升营养素含量。早期研究拟南芥中过表达THIC与THI1基因，实现叶片和种子中维生素B1含量显著提升。在水稻中组成型过表达这两个基因使糙米维生素B1含量提高5倍，但精米中增幅有限。后续采用胚乳特异性启动子Glutelin B1驱动多基因组合（THIC/THI1/TH1），使精米硫胺素积累量提升3倍。

技术瓶颈：作物稳定遗传转化耗时费力，限制多基因组合筛选。园艺作物（如番茄、草莓）的果实瞬时表达体系可高效加速基因功能验证，为后续稳定遗传改良提供筛选平台。

2. 异源生物合成途径引入

将微生物等外源生物合成基因或整条通路导入植物，可创建全新代谢路线。例如将大肠杆菌ThiL（TMP激酶）基因在水稻胚乳中表达，使硫胺素含量提升25%-30%。

进阶应用：研究人员成功在水稻胚乳中重构酵母来源的维生素B2合成通路（6-8个基因），彰显多基因协同表达的潜力。但多基因转化易受启动子干扰、转基因沉默等因素影响，而微生物平台（如蓝细菌、酵母）凭借简单细胞结构更易实现复杂通路重构，例如近期工程化酵母可实现二氧化碳至葡萄糖的直接转化。

3. 营养特异性转运蛋白表达

通过表达特异性转运蛋白，将营养物质从非食用部位定向转运至籽粒或果实。在水稻中表达芝麻硫胺素结合蛋白SiTBP，使胚乳硫胺素稳定累积并具备代际稳定性。该策略还可用于铁、锌等矿物质强化，在草莓中过表达RAP（GST家族蛋白）显著促进花青素积累，果色变为深紫。

4. 转录调控优化

通过转录因子工程或启动子编辑，精准调控代谢通路，避免传统转基因争议。例如在玫瑰、草莓中串联激活域增强转录因子活性，大幅提升花青素合成；利用CRISPR/Cas9技术将增强子序列插入启动子区域，成功激活水稻中4个NMN合成基因，使内源NMN含量提升2-3倍。

维生素B1应用潜力：研究发现THI1基因启动子存在保守顺式元件，可结合CRISPR介导的增强子嵌入技术，实现非转基因型维生素B1精准强化。

5. 蛋白质定向进化

结合人工智能与连续定向进化技术，可优化酶催化特性。近期通过对1000多种陆生植物中Coq1酶的进化分析与机器学习，鉴定出调控辅酶Q侧链长度的关键氨基酸位点，通过Prime Editing在水稻、小麦中成功培育出生成CoQ₁₀的非转基因品系。

维生素B1应用前景：针对植物THI1酶的“自杀式”催化机制（单次反应后失活），已有研究在酵母中通过定向进化获得避免自杀失活的THI1变体。将其应用于作物，有望突破维生素B1生物合成效率瓶颈。

二、未来展望

底盘植物多元化：拓展至番茄、草莓等园艺作物，利用其瞬时表达系统、生食特性（保留热敏性维生素）优势。

多通路协同编辑：通过CRISPR多重编辑同步增强合成通路、抑制降解途径，提升营养素累积至生理有效水平。

AI驱动蛋白质设计：结合基因组编辑技术，对THI1等关键酶进行催化效率优化。

非转基因策略开发：应用瞬时mRNA递送、增强子嵌入等技术，加速市场化。

参考文献：

Wang K, Liu Z. Plant synthetic biology-based biofortification, strategies and recent progresses[J]. J Integr Plant Biol., 2025, 67(8): 1997-2004.