类胡萝卜素形成酶基因及其生物代谢工程
β-胡萝卜素生物合成关键酶基因转化玉米
β-胡萝卜素生物合成关键酶基因转化玉米p-胡萝卜素(C40H56)是类胡萝卜素之一,是一种橘黄色脂溶性化合物,在自然界中稳定存在的天然色素。
在许多的天然食物中均含有p-胡萝卜素,例如绿色蔬菜、甘薯、胡萝卜、菠菜等。
p-胡萝卜素是维生素A合成的前体,具有免疫、抗氧化、预防癌症和延缓癌症等非常重要的生理功能。
人体自身不能合成类胡萝卜素,主要依赖于饮食中类胡萝卜素的供应。
但是,在许多植物中类胡萝卜素含量较低,尤其是p-胡萝卜素。
玉米作为世界和我国第一大粮食作物,类胡萝卜素的含量较低,增加p-胡萝卜素的含量可显著提升玉米的营养价值。
在高等植物中,p-胡萝卜素是在质体中通过类异戊二烯途径合成的。
其生物合成过程包括缩合、脱氢、环化、羟基化以及环氧化等一系列反应。
目前,催化这些反应的关键酶基因陆续克隆鉴定,为通过DNA重组技术和遗传工程生产p-胡萝卜素开辟了道路。
本研究克隆出p-胡萝卜素生物合成的关键酶基因：八氢番茄红素合成酶基因PSY和八氢番茄红素脱氢酶基因CrtI,通过重叠PCR的方法连接成融合基因,构建成单子叶植物表达载体,利用农杆菌介导法转化玉米自交系“18-599”,以期获得β-胡萝卜素大量积累的植株。
1.植物表达载体构建。
根据NCBI上公布的PSY和CrtI基因序列,设计引物,以玉米的cDNA为模板克隆出PSY基因序列,以噬夏孢欧文氏菌的DNA为模板克隆出CrtI基因序列,人工合成豌豆核酮糖小亚基转运肽tp基因序列,通过重叠PCR将三段基因连接成融合基因并引入限制性酶切位点,定向插入到植物表达载体pTF101.1中,构建成单子叶植物表达载体。
2.玉米愈伤组织培育及转化以玉米自交系“18-599”的幼胚为外植体,诱导培养胚性愈伤组织,通过农杆菌介导的方法转化,经除草剂抗性培养基梯度筛选后分化出T0代再生植株150株。
3.再生植株的分子检测设计特异PCR引物,扩增目的基因1315bp片段,对抗性愈伤组织分化得到的150株T0代再生植株进行分子检测,有10个T0代植株表现阳性。
生物生产中代谢工程技术的应用前景
生物生产中代谢工程技术的应用前景随着生物技术的发展和进步，代谢工程在生物生产中的应用越来越广泛。
代谢工程可以通过改变微生物的代谢途径和调节代谢通路中的关键酶，从而实现对生物合成产物的精准控制和优化。
在食品、医药、化工等领域，代谢工程技术已经成为一个重要的生产手段，其应用前景十分广阔。
一、食品领域中的应用代谢工程技术在食品领域中的应用十分广泛。
以乳制品为例，利用代谢工程技术可以改善细菌的产酸能力，进而控制酸度和乳化性能，从而提高储存质量和口感。
同时，代谢工程技术还可以用于调整细菌的代谢代谢途径，从而合成新的有益物质，如β-胡萝卜素，对消费者的健康有益。
二、医药领域中的应用代谢工程技术在医药领域中的应用也十分重要。
例如，代谢工程可以用于改善微生物合成药物的效率和纯度，从而提高药品的生产效率和储存稳定性。
此外，代谢工程技术还可以创造新的生产和研发路径，进而开发出新的药品和治疗物质，为人类健康带来更大的益处。
三、化工领域中的应用代谢工程技术在化工领域中也有着广泛的应用。
在生物燃料、生物聚合物和高附加值化学品等方面，代谢工程技术已经成为一种重要的生产手段。
代谢工程技术可以通过调节微生物合成途径和关键酶，优化化学品的产出量和品质，从而提高生产效率和经济效益。
四、未来的发展趋势代谢工程技术在生物生产中的应用前景十分广泛，并且仍然有着很大的发展潜力。
在未来发展中，代谢工程技术将会逐渐发现更多的代谢通路和生化途径，并且优化代谢产物的纯度和产品特性。
此外，代谢工程技术的集成化，如引入系统合成生物学、人工智能和机器学习等技术，也将会进一步促进代谢工程技术的发展和应用。
总之，代谢工程技术在生物生产中的应用前景十分广泛，能够满足人类的很多生产和生活需求。
未来，我们将会看到代谢工程技术带来更多的生产优化和生命科学创新，开辟出更加美好的未来。
植物此生代谢产物
植物次生代谢物综述班级：09农学（2）班姓名：学号：植物次生代谢物综述植物次生代谢( secondary metabolism)是由初生代谢( p rimary metabolite) 派生的一类特殊代谢过程,是植物在长期进化中与环境相互作用的结果。
近来的研究发现,植物次生代谢物在植物生命活动的许多方面均起着重要作用,且部分是植物生命活动所必需的。
例如,吲哚乙酸、赤霉素直接参与生命活动的调节;木质素为细胞次生壁的重要组成成分;叶绿素、类胡萝卜素等萜类物质作为光合色素参与光合作用过程等。
随着次生代谢产物在医药、食品、轻化工等领域的广泛应用,其物质的种类、代谢途径,以及代谢机理等相关问题亦倍受研究者关注,是植物生理学、植物化学等众多学科的主要研究内容之一。
植物次生代谢物的产生和分布通常有种属、器官组织和生长发育期的特异性。
目前其分类方法主要有如下三种: ①根据化学结构不同,分为酚类、萜类和含氮有机物等; ②根据结构特征和生理作用不同,生物碱与植物毒素等; ③根据其生物合成的起始分子不同,分为萜类、生物碱类、苯丙烷类及其衍生物等三个主要类型。
笔者将按第三种分类方法对其物质种类、代谢类型等方面的研究进展进行概述。
1萜类化合物萜类化合物(perpenoid)是所有异戊二烯聚合物及其衍生物的总称,以异戊烷五碳类异戊二烯为基本单位,又称类异戊二烯( isop renoid) ,以侧链重复连接方式递增,分开链类和环萜类两种。
开链型类萜的分子组成通式为(C5H8 ) n ,包括半萜(C5 ,即含一个异戊二烯单位, n = 1) 、单萜(C10 , n = 2) 、倍半萜(C15 , n = 3) 、双萜(C20 , n = 4) 、三萜(C30 , n =6) 、四萜(C40 , n = 8) 、多萜( > C40 , n > 8)及杂萜(含异戊二烯侧链)等。
环萜型类萜因分子内碳环数的不同,可分为单环萜、双环萜、三环萜等。
辣椒类胡萝卜素生物合成的分子遗传学研究进展
广东农业科学Guangdong Agricultural Sciences 2024，51（2）：71-80 DOI:10.16768/j.issn.1004-874X.2024.02.007邓明华，莫云容，吕俊恒，赵凯，黄尧瑶，王岩岩，张宏. 辣椒类胡萝卜素生物合成的分子遗传学研究进展［J］. 广东农业科学，2024，51（2）：71-80. DENG Minghua, MO Yunrong, LYU Junheng, ZHAO Kai, HUANG Yaoyao, WANG Yanyan, ZHANG Hong. Advances in molecular genetics of carotenoid biosynthesis in Capsicum［J］. Guangdong Agricultural Sciences, 2024，51（2）：71-80.辣椒类胡萝卜素生物合成的分子遗传学研究进展邓明华，莫云容，吕俊恒，赵 凯，黄尧瑶，王岩岩，张 宏（云南农业大学园林园艺学院/云南省蔬菜生物学重点实验室，云南 昆明 650201）摘 要：辣椒（Capsicum spp.）属于茄科辣椒属，作为一种蔬菜和香料作物在世界各地得到广泛栽培。
除作为烹饪食材和香料应用外，辣椒在制药和化妆品领域也有广泛的用途。
类胡萝卜素是一类天然色素的总称，参与植物许多重要的代谢过程，如光合作用、光保护、光形态建成和生长发育等。
类胡萝卜素具有多种生物活性，是辣椒果实主要的营养物质之一，培育类胡萝卜素含量更高的辣椒品种需要全面深入了解其生物合成及其调控的分子机制。
分子生物学和生物技术的发展促进了类胡萝卜素生物合成基因的鉴定，为培育类胡萝卜素含量更高的辣椒新品种提供了机会。
该文描述了类胡萝卜素的生理作用、类胡萝卜素与辣椒果实颜色、类胡萝卜素生物合成途径、辣椒类胡萝卜素生物合成途径的结构基因及调控因子、辣椒果实颜色的分子遗传学及与辣椒果实颜色有关的QTL位点等方面的研究进展。
类胡萝卜素形成酶基因及其生物代谢工程
类胡萝卜素形成酶基因及其生物代谢工程类胡萝卜素形成酶基因及其生物代谢工程的碳氢化合物（胡萝卜素）和它们的氧化衍生物(叶黄素)两大类类胡萝卜素通常是指C40类胡萝卜素携带紫罗色素的总称。
它们在结构上由8个类异戊二烯单位浓缩形成，典型的C40酮环（ionone），在环的不同位置可被氧基、羟基、环氧基代替[1]；类胡萝卜素分子中最重要的部分是决定颜色和生物功能的共轭双鍵系统，能使单态氧失活，猝灭羧基自由基。
由于类胡萝卜素本身的化学特性，它们是所有光合生物的基本成分,贮存在生物体的脂相中。
在植物中，类胡萝卜素对叶绿体的光合作用起着至关重要的作用，一方面，它们是叶绿体光合天线的辅助色素，帮助叶绿素接收光能；另一方面，它们在高温、强光下能通过叶黄素循环，以非辐射的方式耗散光系统Ⅱ（PSⅡ）的过剩能量保护叶绿素免受破坏[2,3]。
除八氢番茄红素、六氢番茄红素等几种类胡萝卜素无色外，绝大多数类胡萝卜素呈黄色、橙色或红色[4]，是许多植物花和果实呈现鲜艳色彩的原因[2]。
类胡萝卜素也是合成植物激素ABA的前体[5]。
约有10%的类胡萝卜素是维生素A（V A）的前体[6,7]，人体V A 不足易得夜盲症。
近年来，越来越多的医学研究表明，类胡萝卜素在猝灭自由基[8]、增强人体免疫力[9]、预防心血管疾病和防癌抗癌[2,10]等保护人类健康方面起着更为重要的作用。
人体血液中主要含有番茄红素、β－胡萝卜素、叶黄质、β－隐黄质、α－胡萝卜素等类胡萝卜素[11]，但人体不能合成类胡萝卜素，主要依赖饮食中类胡萝卜素的供应。
一些重要的类胡萝卜素如玉米黄素，和叶黄质一起，是眼睛斑点色素（macular pigment）中不可缺少的成分,但在食品中含量并不丰富，也不能通过外界药物供给，玉米黄素如长期摄入不足对眼睛健康极为不利[12]。
随着类胡萝卜素药用价值的不断发现，人类对类胡萝卜素的种类和产量需求将越来越大。
然而，类胡萝卜素很难通过化学合成，迄今为止，已鉴定的天然类胡萝卜素有600余种，但只有于少数几种类胡萝卜素如β－胡萝卜素、虾青素、角黄素等能通过化学合成进入商业化生产，它们主要用于营养补充、食品着色和动物饲料的添加；通过天然微生物发酵途径也能生产β－胡萝卜素、虾青素，但所占的市场份额微不足道[13]。
类胡萝卜素
类胡萝卜素科技名词定义中文名称：类胡萝卜素英文名称：carotenoid 定义：链状或环状含有8个异戊间二烯单位、四萜烯类头尾连接而成的多异戊间二烯化合物。
是一类不溶于水的色素，存在于植物和有光合作用的细菌中，在光合作用过程中起辅助色素的作用。
应用学科：生物化学与分子生物学（一级学科）；激素与维生素（二级学科）以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布类胡萝卜素类胡萝卜素（carotenoid）：不溶于水而溶于有机溶剂。
叶绿体中的类胡萝卜素含有两种色素，即胡萝卜素（carotene）和叶黄素（lutein），前者呈橙黄色，后者呈黄色。
功能为吸收和传递光能，保护叶绿素。
简介辅助色素（accessory pigment）：在植物和光合细菌，像类胡萝卜素叶黄素和藻胆素中，吸收可见光的色素，这类色素是对叶绿素捕获光能的补充。
非皂化脂质。
是广泛地分布于动植物中的黄、橙、红或紫色的一组色素。
类胡萝卜素分子式构成发色原因的共轭二重键具有长链聚烯烃结构。
通常是几种混在一起生成。
具有C40的萜结构的较多，不含氮。
已知天然类胡萝卜素约有300种，其中不含氧的碳化氢类有胡萝卜素、菌脂素等；含氧的非常多，有醇、酮、醚、醛、环氧化物、羰酸和酯等。
它们之中大量存在的有岩藻黄质（fucoxanthin）、叶黄素（lutein）、堇菜黄质（violaxanthin）、新黄质（neoxanthin）等，均属于胡萝卜醇。
类胡萝卜素多数不溶于水，溶于脂溶剂，不稳定，易氧化。
类胡萝卜素（carotenoid）：一类重要的天然色素的总称，属于化合物。
普遍存在于动物、高等植物、真菌、藻类和细菌中的黄色、橙红色或红色的色素，主要是β-胡萝卜素秋季黄叶中含类胡萝卜素和γ-胡萝卜素，因此而得名。
不溶于水，溶于脂肪和脂肪溶剂。
亦称脂色素。
自从19世纪初分离出胡萝卜素，至今已经发现近450种天然的类胡萝卜素；利用新的分离分析技术如薄层层析、高压液相层析以及质谱分析还不断发现新的类胡萝卜素。
植物中类胡萝卜素生物合成及其关键酶机制
植物中类胡萝卜素生物合成及其关键酶机制植物中的类胡萝卜素是一类颜色鲜艳的化合物，具有多种生物功能，例如抗氧化、抗癌等。
在植物的代谢中，类胡萝卜素是一类重要的物质，它不仅能给植物带来颜色，还能帮助植物抵御外界环境的压力，同时还具有丰富的营养价值。
本文将介绍植物中类胡萝卜素的生物合成及其关键酶机制。
类胡萝卜素是一类色素，其生物合成途径较为复杂。
生物合成途径主要包括异戊烯化、缩合和羧化等步骤，其中的关键酶有异构化酶、脱氢酶、羟化酶、缩合酶等。
这些酶的功能各不相同，但都在类胡萝卜素的生物合成中起到重要作用。
异构化酶是类胡萝卜素生物合成途径中的第一个关键酶。
在异构化的过程中，类胡萝卜素的前体物质吡喃氧化物被转化，形成最终的异戊烯化中间体。
脱氢酶是异构化酶后的第二个关键酶，其主要作用是将异戊烯化中间体中的顺式反异戊三烯醇脱氢成为相应的共轭双键醛。
羟化酶是将共轭双键醛进行加氧反应，并且形成二级醇的关键酶。
在羟化酶后的步骤中，还有脱氢酶和缩合酶两个关键酶。
脱氢酶的作用是将二级醇上一个羟基去除后，形成C13–C14双键。
缩合酶是类胡萝卜素生物合成途径中的最后一个关键酶，它主要负责将不饱和双键上的氧化作用，并且将类胡萝卜素的前体物质连接起来。
总的来说，缩合酶是类胡萝卜素生物合成途径中的决定性酶，因为其能否成功将前体物质连接成类胡萝卜素结构的形态取决于缩合酶的活性。
此外，在植物的类胡萝卜素生物合成过程中，还有一些非常重要的调控机制。
例如，类胡萝卜素的生物合成途径受到光照的影响较大，而且在缩合酶中还存在一种调控机制，被称为缩合酶与类胡萝卜素脱附复合物（CBI-CRT）机制。
这种调控机制可以有效的控制类胡萝卜素生物合成途径中缩合酶的活性，以达到对外界环境的适应性。
总之，植物中的类胡萝卜素是一类需要多个酶的合作才能完成生物合成的复杂的有机物。
在类胡萝卜素生物合成途径中，每一个关键酶的作用都是至关重要的。
通过对类胡萝卜素结构与关键酶机制的研究，对植物的生长发育和资源利用有着重要的意义，因此，对其进行深入研究具有很高的科学价值和应用价值。
酵母生产类胡萝卜素的研究进展
酵母生产类胡萝卜素的研究进展钮亭亭;孙茜萍;吴涛【摘要】类胡萝卜素是医药、化学、食品和饲料产业中具有重要价值的产品,具有着色、抗氧化和防癌等功能.动物不能合成类胡萝卜素,因此必须从食物中进行摄取.作为潜在色素物质的来源,红酵母和法夫酵母是微生物法生产类胡萝卜素的重要菌种.阐述了红酵母和法夫酵母生物合成类胡萝卜素的途径、影响发酵产量的因素及廉价培养基的应用,进一步介绍了诱变育种方法及代谢工程技术在产类胡萝卜素酵母菌株改良上的应用.【期刊名称】《发酵科技通讯》【年(卷),期】2017(046)001【总页数】4页(P50-53)【关键词】类胡萝卜素;红酵母;法夫酵母;廉价培养基【作者】钮亭亭;孙茜萍;吴涛【作者单位】上海体育学院,上海200438;浙江工业大学海洋学院,浙江杭州310014;浙江工业大学海洋学院,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TQ92类胡萝卜素对动物和人类具有重要意义,包括增强免疫、作为维生素A前体和淬灭氧自由基的组分.食用类胡萝卜素有益于预防多种疾病,如动脉硬化、白内障、多硬化和癌症.动物体内不能自发合成类胡萝卜素,必须从含类胡萝卜素的饲料中摄取.相比从蔬菜中提取或者化学合成类胡萝卜素,微生物发酵生产类胡萝卜素只需要低成本天然底物作为碳源,具备明显的经济优势.红酵母和法夫酵母[1]具有合成各种天然类胡萝卜素(β-胡萝卜素、红酵母烯、红酵母红素和虾青素等)的能力,比藻类和霉菌更适于大规模发酵生产.另外以代谢工程方法构建的酿酒酵母也表现出产类胡萝卜素的良好优势.红酵母(Rhodotorula)和法夫酵母(Phaffia)是产类胡萝卜素的常见酵母种属.由红酵母生产的类胡萝卜素种类主要为β-胡萝卜素、红酵母烯(3′,4′-双脱氢-β-ψ-胡萝卜素)和红酵母红素(3′,4′-双脱氢-β-ψ-胡萝卜素-16′-甲酸),三种主要的类胡萝卜素占总量的相对比例不确定,这与菌株及培养条件相关.Rhodotorula glutinis和Rhodotorula graminis生产的γ-胡萝卜素量(β-γ-胡萝卜素)占类胡萝卜素总量11%～15%,而法夫酵母主要生产虾青素(3,3-脱氢-β-β-胡萝卜素-4,4-二酮).1964年,Simpson[2]及Goodwin[3]重新审视了酵母合成类胡萝卜素的一般途径:1) 由HMG-COA合酶催化乙酰辅酶A向3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A(HMG-COA)转化,HMG-COA再转化为一个C6化合物甲羟戊酸(MVA),MVA通过MVA 激酶磷酸化、脱羧等一系列反应进一步转化为异戊二烯基焦磷酸(IPP);2) IPP与依次加入的三个IPP分子异构化得到二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP),上述反应产物由异戊烯基转移酶催化得到C20化合物香叶基焦磷酸(GGPP),两分子GGPP缩合得到八氢番茄红素,脱氢后得到番茄红素;3) 番茄红素异构化同时发生在八氢番茄红素脱氢形成第一或第二个双键过程中,番茄红素作为环状结构类胡萝卜素前体,经一系列代谢反应形成β-胡萝卜素、γ-胡萝卜素、红酵母烯、红酵母红素和虾青素.在工业规模下利用微生物生产类胡萝卜素必须寻求工艺成本低、产率高以及环境友好的技术.然而,类胡萝卜素的生物合成受诸多因素影响,例如光照、温度、通气和金属离子都有可能对类胡萝卜素发酵产量产生影响.光照被认为是微生物生产类胡萝卜素的一个重要因素.微生物需要防止自身由于光照而受到损伤,类胡萝卜素生物合成机制就是一个光保护机制.类胡萝卜素生产受到白光的积极影响.Moliné等[4]研究红酵母菌株中类胡萝卜素和麦角固醇以及细胞紫外光抗性之间的关系,结果表明超着色菌株存活率增大(250%).他们还指出,红酵母红素的高产量可以提高紫外光下红酵母的存活率.另一方面,Yen等[5]计算了在具有两个LED(发光二极管)灯的间歇反应器中β-胡萝卜素的生产效率,结果β-胡萝卜素浓度达24.6 μg/g,而无光照条件下β-胡萝卜素浓度只有14.69 μg/g.温度是酵母生产类胡萝卜素过程中需要考虑到的另一个因素.温度会影响细胞的生长以及代谢产物的生产,主要通过改变生物合成途径包括类胡萝卜素合成途径来发挥作用.温度的影响效果取决于微生物的种类以及产品产量.根据Hayman等[6]的研究,温度影响了涉及类胡萝卜素生产的酶浓度的调节水平.通气影响类胡萝卜素生产的种类和总产量.这是因为类胡萝卜素生物合成是一个需氧过程,氧气影响着基质同化的速率、生物量的增长以及类胡萝卜素的生物合成.通气的影响取决于微生物的种类.Saenge等[7]研究了通气量对细胞生长、脂质产量、类胡萝卜素产量及甘油消耗量的影响,当通气速率从0 vvm增加到2 vvm时,生物量和脂质产量均达到最高,分别为8.17, 4.32 g/L.金属离子(钡、铁、镁、钙、锌和钴)也已经被证明是R. Glutinis生产类胡萝卜素的促进剂[8].除此以外,Buzzini等[9]报道了在R. Graminis中某些微量元素表现出对类胡萝卜素的结构具有选择性的影响,比如Zn2+对β胡萝卜素和γ-胡萝卜素生产具有促进作用,而对红酵母烯和红酵母红素生产具有抑制作用.绝大多数酵母的类胡萝卜素在菌种对数生长后期积累,在稳定期持续增加.在含有多种精细碳源(如葡萄糖、木糖、纤维二糖、蔗糖、甘油和山梨糖醇)的合成培养基中培养时,酵母菌能合成类胡萝卜素.以天然底物(如葡萄汁、未发酵葡萄汁、枣汁、芥末废弃物水解液提取物、半纤维素水解液、水解绿豆废渣、甘蔗汁、甘蔗、玉米糖浆、玉米水解液、乳清等)为碳源的类胡萝卜素合成研究已成为近些年的热点.工农业原产地的原料和副产物被认为是廉价微生物发酵生产过程中所需碳水化合物的可替代来源,这也同时减轻了因废弃物造成的环境问题.鸡毛和甜马铃薯已作为氮源和碳源[10]来生产类胡萝卜素,同时解决了鸡毛和甜马铃薯废弃物环保处理的能耗问题,最大限度地减轻了这些废弃物对环境的压力.表1列出了最新的工农业废渣在类胡萝卜素发酵生产中的应用实例.用工农业废弃物生产类胡萝卜素,其生产能力取决于碳源和氮源的种类、矿物质和其他成分的配比.这些营养物质的种类和配比对确定发酵培养基制定方法、提高微生物的类胡萝卜素生物合成能力非常重要.4.1 诱变Vijayalaksmi等[20]以紫外线诱变R. gracilis菌株,其类胡萝卜素合成能力较原始菌株提高了约1.8倍.粉色酵母株R. glutinis经紫外诱变得到黄色诱变株32,其类胡萝卜素产量比野生株高出24倍.Frengova等[21]发现NTG诱变菌R. rubra 56-13也表现出了更高的类胡萝卜素和β-胡萝卜素生产能力.Wang等[22]用高静水压(300 MPa)重复5次处理后得到诱变株,其β-胡萝卜素产量增加了57.89%.暗红色酵母菌株P. rhodozyma经甲基磺酸乙酯处理后其β-类胡萝卜素产量是之前的5倍[23].NTG诱变Xanthophyllomyces Dendrourhous后分离得到两种产类胡萝卜素强化菌株X. Dendrourhous JH1和JH2[24].虾青素高产突变株JH1产虾青素约为野生型的15倍多.产β-胡萝卜素突变株JH2的β-胡萝卜素产量比野生型增产约4倍.An等[25]发现抗霉素突变株和亚硝基胍衍生突变株产虾青素能力比原始菌株高出很多.Schroeder等[26]还发现游离氧自由基能够通过激活基因诱发P. rhodozyma体内类胡萝卜素的合成.Fleno等[27]用EMS及紫外线处理得到高产类胡萝卜素和虾青素的突变株.4.2 产类胡萝卜素酵母的代谢工程代谢工程通过具体的生化反应或利用重组DNA技术引进新的基因来改进细胞性能和提高目标产物的产量[28].非类胡萝卜素生物合成微生物的改造工程是类胡萝卜素生产非常有用的工具,如酿酒酵母被认为是一种安全的酵母并具有容易进行基因操作等优点.虽然自然条件下酿酒酵母不产生类胡萝卜素,但它产生香叶基焦磷酸,如果此酵母集成了源于法夫酵母的两个主要的类胡萝卜素合成酶的基因(即编码番茄红素合成酶(crtYB)和番茄红素脱氢酶(CTRI)的基因)就可以生产类胡萝卜素[29].Yamano等[30]早期尝试把细菌基因导入酿酒酵母中生产β-胡萝卜素,虽然在工程上取得了成功,但是生产水平低下,产量仅103 μg/g.毕赤酵母也是进行类胡萝卜素生产研究的非类胡萝卜素生物合成酵母,主要优势在于它可以在甲醇中生长.Araya-Garay等[31]设计并构建了两个含有编码番茄红素和β胡萝卜素的基因的质粒并转入毕赤酵母中,结果表明得到的重组菌株番茄红素和β胡萝卜素产量分别达到1.141,339 μg/g.类胡萝卜素在人类健康领域发挥着重要作用.化学合成类胡萝卜素虽能满足市场的部分需求,但其生产过程不够环保高效,产品结构和天然类胡萝卜素也有差异.目前,对微生物生产类胡萝卜素已经进行了广泛研究,微生物发酵生产类胡萝卜素不存在由于季节性和地域性变化而导致的产品和市场问题,从而具有更大的经济效益.目前,红酵母和法夫酵母是类胡萝卜素的潜在来源,而以代谢工程方法改造酿酒酵母生产类胡萝卜素也具有良好前景.生产成本高是大规模发酵生产类胡萝卜素的最大限制因素,采用工农业废弃物等廉价底物可以降低生产成本,并且有助于减少废弃物本身对环境的污染.通过酵母菌种的基因改造和发酵工艺的改进等各种方法提高产量,将有助于实现微生物法发酵生产类胡萝卜素产品的工业化.【相关文献】[1] 刘颖.法夫酵母生物法生产虾青素的研究进展[J].发酵科技通讯,2012,41(3):47-52.[2] SIMPSON K L, NAKAYAMA T O, CHICHESTER C O. 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类胡萝卜素形成酶基因及其生物代谢工程的碳氢化合物（胡萝卜素）和它们的氧化衍生物(叶黄素)两大类类胡萝卜素通常是指C40类胡萝卜素携带紫罗色素的总称。
它们在结构上由8个类异戊二烯单位浓缩形成，典型的C40酮环（ionone），在环的不同位置可被氧基、羟基、环氧基代替[1]；类胡萝卜素分子中最重要的部分是决定颜色和生物功能的共轭双鍵系统，能使单态氧失活，猝灭羧基自由基。
由于类胡萝卜素本身的化学特性，它们是所有光合生物的基本成分,贮存在生物体的脂相中。
在植物中，类胡萝卜素对叶绿体的光合作用起着至关重要的作用，一方面，它们是叶绿体光合天线的辅助色素，帮助叶绿素接收光能；另一方面，它们在高温、强光下能通过叶黄素循环，以非辐射的方式耗散光系统Ⅱ（PSⅡ）的过剩能量保护叶绿素免受破坏[2,3]。
除八氢番茄红素、六氢番茄红素等几种类胡萝卜素无色外，绝大多数类胡萝卜素呈黄色、橙色或红色[4]，是许多植物花和果实呈现鲜艳色彩的原因[2]。
类胡萝卜素也是合成植物激素ABA的前体[5]。
约有10%的类胡萝卜素是维生素A（V A）的前体[6,7]，人体V A不足易得夜盲症。
近年来，越来越多的医学研究表明，类胡萝卜素在猝灭自由基[8]、增强人体免疫力[9]、预防心血管疾病和防癌抗癌[2,10]等保护人类健康方面起着更为重要的作用。
人体血液中主要含有番茄红素、β－胡萝卜素、叶黄质、β－隐黄质、α－胡萝卜素等类胡萝卜素[11]，但人体不能合成类胡萝卜素，主要依赖饮食中类胡萝卜素的供应。
一些重要的类胡萝卜素如玉米黄素，和叶黄质一起，是眼睛斑点色素（macular pigment）中不可缺少的成分,但在食品中含量并不丰富，也不能通过外界药物供给，玉米黄素如长期摄入不足对眼睛健康极为不利[12]。
随着类胡萝卜素药用价值的不断发现，人类对类胡萝卜素的种类和产量需求将越来越大。
然而，类胡萝卜素很难通过化学合成，迄今为止，已鉴定的天然类胡萝卜素有600余种，但只有于少数几种类胡萝卜素如β－胡萝卜素、虾青素、角黄素等能通过化学合成进入商业化生产，它们主要用于营养补充、食品着色和动物饲料的添加；通过天然微生物发酵途径也能生产β－胡萝卜素、虾青素，但所占的市场份额微不足道[13]。
显然，类胡萝卜素目前这种生产状况已不能满足市场的需求。
现代分子生物学研究手段的发展，使得类胡萝卜素生物合成途径中的一系列关键酶基因被陆续分离鉴定，为通过DNA重组技术和遗传工程生产类胡萝卜素开辟了道路，近年来，有关这方面的研究在微生物和高等植物上取得重大突破。
1.类胡萝卜素的生物合成途径及其相关酶的基因克隆1.1类胡萝卜素的生物合成途径通过类胡萝卜素生物合成的生化分析、经典遗传学和近年来分子遗传学的研究，已经基本清楚类胡萝卜素的主要生物合成途径。
然而对于复杂类胡萝卜素的末端基团、甲基基团及多烯烃链的额外修饰过程仍不太清楚[14]。
所有的类胡萝卜素均通过类异戊二烯化合物或萜类化合物途径合成。
IPP（异戊烯焦磷酸）是该途径的前体物质，IPP在IPP异构酶作用下生成DMAPP（二甲基丙烯基二磷酸），然后再与3个IPP缩合依次生成GPP（牻牛儿焦磷酸）、FPP（法尼基二磷酸）、GGPP（牻牛儿牻牛儿焦磷酸）。
2个GGPP 在Psy （八氢番茄红素合成酶）作用下形成第一个无色的类胡萝卜素――八氢番茄红素。
八氢番茄红素经过连续的脱氢反应，共轭双键延长，直至形成链孢红素、番茄红素。
番茄红素在不同环化酶的作用下分别生成α－胡萝卜素、β－胡萝卜素，在α、β－胡萝卜素的C4（C4，）引入酮基和（或）C3（C3，）引入羟基以及在β－环上引入C （5,6）－环氧基后,则形成更为复杂的叶黄素（图1）。
1.2类胡萝卜素形成酶基因目前，已从细菌、真菌、藻类和植物等生物中分离出150多个类胡萝卜素形成酶基因，它们分别编码20多种类胡萝卜素形成酶[17]。
这些基因的克隆成功为利用DNA 重组技术通过微生物生产有经济价值的类胡萝卜素，以及改变植物类胡萝卜素的生物合成途径提高类胡萝卜素的产量提供了便利。
编码早期类胡萝卜素生物合成的酶，如GGPP 合成酶、八氢番茄红素合成酶、八氢番茄红素脱氢酶的基因等占总体的一半以上，其中，八氢番茄红素脱氢酶基因包含两步、三步、四步和五步脱氢反应的不同基因。
β－番茄红素环化酶基因从细菌和植物中克隆到，它能促进双环类胡萝卜素形成；ε－番茄红素环化酶基因仅从植物中克隆到，除莴苣ε－番茄红素环化酶基因外，一般只形成单环。
迄今为止，仅有修饰类胡萝卜素β－环的酶基因得到克隆，包括β－胡萝卜素羟化酶、β－胡萝卜素加氧酶（或酮化酶）。
在过去几年，已先后从植物上克隆到玉米黄素环氧酶、紫黄质脱环氧酶、辣椒红素/辣椒玉红素合成酶、新黄质合成酶。
表1列出了调控类胡萝卜素生物合成的关键酶及其基因。
2. 微生物类胡萝卜素基因工程应用DNA 重组技术将外源基因导入微生物，利用微生物繁殖快、产量高的特点生产人们需要的、有商业价值的化学物质，是现代生物技术制药工业的主要发展方向[20]。
这一技术的关键是，作为外源基因宿主的微生物首先必须具备大量生产所需要化学物质的前体的能力[21]。
有关类胡萝卜素的基因工程近年来在大肠杆菌和酵母上取得成功。
2.1.大肠杆菌 大肠杆菌不能形成类胡萝卜素，但它含有的成分如多萜醇、. 苯醌和甲基萘醌类维生素与类胡萝卜素一样，都是由共同前体FPP 转化而来[22]。
因此，在理论上讲，向大肠杆菌中转入GGPP 合成酶基因crtE 后，可诱导体内部分C 源转向类胡萝卜素的生物合成。
图1 类胡萝卜素生物合成途径简图[2,14-16]表1编码类胡萝卜素生物合成的酶基因[2,17-19]酶基因生物登录号类胡萝卜素骨架的构建GGPP合成酶crtE 欧文氏菌Erwinia uredevora D90087crtE 集胞藻Synechocystis PCC6803 D90899al-3 粗糙脉孢霉Neurospora crassa X53979Ggps 拟南芥Arabidopsis thaliana L25813Ggps 辣椒 Capsicum annuum P80042八氢番茄红素合成酶crtB 农杆菌Agrobacterium aurantiacum D58420crtB 集胞藻Synechocystis PCC6803 X69172al-2 粗糙脉孢霉Neurospora crassa L27652Psy 拟南芥Arabidopsis thaliana L25812Psy 黄水仙Lpsea speciosa X78814Psy1 番茄 Lycopersicon esculentum A21360Psy2 番茄 Lycopersicon esculentum L23424无环类胡萝卜素的生物合成八氢番茄红素脱氢酶Pds 拟南芥Arabidopsis thaliana L16237Pds 玉米Zea mays L39266Pds 黄水仙Lpsea speciosa X78815Pds 番茄 Lycopersicon esculentum M88683crtP 集胞藻Synechocystis PCC6803 X62574crtI 荚膜红细菌Rhodobacter capsulatus Z11165crtI 欧文氏菌Erwinia uredevora D90087al-1 粗糙脉孢霉Neurospora crassa M57465ζ-胡萝卜素脱氢酶crtQ 集胞藻Synechocystis PCC6803 X62574Zds 拟南芥Arabidopsis thaliana U38550Zds 辣椒Capsicum annuum X68058链孢红素羟化酶crtC 球形红杆菌Rhodobacter sphaeroides X82458链孢红素甲氧化脱氢酶crtD 荚膜红细菌Rhodobacter capsulatus Z11165链孢红素羟基-氧-转甲基酶crtF 球形红杆菌Rhodobacter sphaeroides X82458球形烯 (加)氧酶crtA 荚膜红细菌Rhodobacter capsulatus Z11165环化类胡萝卜素生物合成番茄红素β环化酶crtY 欧文氏菌Erwinia uredevora D90087crtY 集胞藻Synechocystis PCC6803 X74599β-Lyc 拟南芥Arabidopsis thaliana Z29211番茄红素ε环化酶ε-Lyc 拟南芥Arabidopsis thaliana U50738β-胡萝卜素羟化酶crtZ 农杆菌Agrobacterium aurantiacum D58420Bch 拟南芥Arabidopsis thaliana U58919Bch 辣椒Capsicum annuum Y09225玉米黄素转葡糖基酶crtX 欧文氏菌Erwinia herbicola M87280β-胡萝卜素C(4)加氧酶crtW 农杆菌Agrobacterium aurantiacum D58420crtW 产碱杆菌Alcaligenes PC1 D58422crtO 集胞藻Synechocystis PCC6803 D64004CrtO/Bkt 雨生红球藻Haematococcus pluvialis X86782/D45881玉米黄素环氧酶Zep1 拟南芥Arabidopsis thaliana T45502Zep1 辣椒Capsicum annuum X91491紫黄质脱环氧酶Vde1 拟南芥Arabidopsis thaliana N37612紫黄质裂解酶Vp14 玉米Zea mays U95953辣椒红素/辣椒玉红素合成酶Ccs 辣椒Capsicum annuum X77289β-胡萝卜素脱氢酶crtU 灰色链霉菌Streptomyces griseus X95596新黄质合成酶Nxs 马铃薯Solanum tuberosum AJ272136Rose [23]等利用大肠杆菌载体pACYC184建立起三个携带欧文氏菌类胡萝卜素形成基因的质粒：pACCRT-EIB（载有crt E, B, I）、pACCAR16∆crtX （载有crt E, B, I, Y, ）和 pAC-CAR25∆crtX（载有crt E, B, I, Y, Z ）；将它们转入JM101大肠杆菌转化体系后，分别生产出200–500 mg/ gDW的番茄红素、β-胡萝卜素和玉米黄素 [24，25]。
Misawa等研究发现，如果将上述质粒的GGPP合成酶基因crt E去除，它们也能生产类胡萝卜素，但产量降为原来的2－4%[26]。