馬鈴薯類胡蘿卜素研究進(jìn)展

索海翠，劉計濤，王 麗，李成晨，單建偉，李小波

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/廣東省農(nóng)作物遺傳改良重點實驗室，廣東 廣州 510640）

類胡蘿卜素是一類重要的脂溶性色素的總稱，是由異戊二烯骨架構(gòu)成的共軛雙鍵長鏈為基礎(chǔ)的C40 或C30 萜類化合物。天然類胡蘿卜素種類繁多，超過750 余種，廣泛存在于動物、植物和微生物中［1］。按分子結(jié)構(gòu)中是否含有氧原子，類胡蘿卜素類物質(zhì)可以分為兩類：一類是不含氧元素、只含碳?xì)湓氐念惡}卜素類，如八氫番茄紅素、番茄紅素、α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素等；另一類是含甲氧基、羥基、酮基、羧基等含氧官能團(tuán)的的葉黃素類，如玉米黃質(zhì)、葉黃素、花藥黃質(zhì)、蝦青素等［2］。在自然界中，類胡蘿卜素作為天然著色劑，是形成黃色、橙色、紅色的主要色素物質(zhì)。此外，類胡蘿卜素具有重要的生物學(xué)功能，它是植物光合系統(tǒng)中光吸收的輔助色素，賦予植物葉片、花朵和果實等組織美麗多彩的色澤［3］，也是植物芳香類物質(zhì)的前體，能更好地吸引昆蟲等媒介傳播花粉［4］。同時，類胡蘿卜素衍生物脫輔基類胡蘿卜素還可以為植物提供激素脫落酸和獨角金內(nèi)酯的合成前體［5-6］。對人類而言，類胡蘿卜素的高抗氧化性可以促進(jìn)人體清除自由基，提高機體免疫力，降低各種疾病的發(fā)生概率［7-9］。類胡蘿卜素被人體吸收后可以轉(zhuǎn)化為維生素A，能夠有效維護(hù)眼睛的健康、促進(jìn)人類視覺的形成［10］。

馬鈴薯作為重要的糧菜兼用和工業(yè)原料作物，是僅次于水稻、小麥和玉米之后的世界第四大糧食作物。我國馬鈴薯種植面積達(dá)469 萬hm2，居世界第1 位，約占全世界總種植面積的27%；產(chǎn)量達(dá)到9 000 萬t，居世界第1 位，約占全世界總產(chǎn)量的24%（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2020 年數(shù)據(jù)）。2015 年初，農(nóng)業(yè)部（現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部）提出馬鈴薯主糧（食）化戰(zhàn)略，大大促進(jìn)了我國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。馬鈴薯塊莖中類胡蘿卜素主要以葉黃素、玉米黃質(zhì)、新黃質(zhì)、堇菜黃質(zhì)等形式存在，不僅對馬鈴薯生長發(fā)育過程中塊莖的顏色變化產(chǎn)生重要作用，還會影響其營養(yǎng)品質(zhì)和商品價值。目前，馬鈴薯遺傳育種的目標(biāo)正向著改善塊莖的營養(yǎng)品質(zhì)方向發(fā)展，高類胡蘿卜素含量馬鈴薯品種逐漸成為育種的重要方向。鑒于此，本文從馬鈴薯種質(zhì)（包括四倍體栽培種和二倍體野生種）中所含類胡蘿卜素的種類和含量，類胡蘿卜素合成代謝途徑中關(guān)鍵基因〔β-胡蘿卜素羥化酶Chy（β-carotene hydroxylase）、玉米黃質(zhì)環(huán)氧化酶zep（Zeaxanthin epoxidas）、番茄紅素ε-環(huán)化酶基因LCYe（lycopene ε-cyclase）〕的克隆、等位基因和單倍型的功能分析，利用常規(guī)育種和基因強化等手段提高馬鈴薯類胡蘿卜素含量等方面進(jìn)行綜述，并從馬鈴薯類胡蘿卜素合成途徑調(diào)控基因的鑒定和野生型二倍體資源的利用方面，展望未來馬鈴薯類胡蘿卜素的研究方向，為進(jìn)一步研究馬鈴薯類胡蘿卜素合成相關(guān)調(diào)控和基因表達(dá)調(diào)控等提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 馬鈴薯種質(zhì)中類胡蘿卜素的種類及含量

1.1 馬鈴薯種質(zhì)中類胡蘿卜素的種類差異

馬鈴薯種質(zhì)資源極其豐富，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)普通馬鈴薯共有235 個親緣種，包括7 個四倍體栽培種和228 個二倍體野生種，這些原始栽培種和野生種在南美洲、中美洲等原產(chǎn)地經(jīng)過漫長的自然選擇過程，含有各種抗病蟲害、抗逆等極具利用價值的經(jīng)濟(jì)特性及營養(yǎng)特性［11］。自然界中，馬鈴薯的薯肉呈現(xiàn)出從白色到奶油色、黃色到橙色以及紅色到紫色等的變化。研究表明，花青素等色素類物質(zhì)的含量及種類決定薯肉的紅色、藍(lán)色和紫色；而類胡蘿卜素的含量及種類決定薯肉的白色、黃色和橙色［12］。Mashaba 等［13］測定產(chǎn)自南非的馬鈴薯、番茄、硬質(zhì)小麥和面包小麥4 種作物的類胡蘿卜素含量，發(fā)現(xiàn)在馬鈴薯中類胡蘿卜素主要以葉黃素和玉米黃質(zhì)為主，如在馬鈴薯品種Mondial 中玉米黃質(zhì)含量占總類胡蘿卜素含量的61%，而在另一個品種BPL 中葉黃素含量占71%。實際上，無論是在二倍體野生種還是四倍體栽培種馬鈴薯中，最常見的類胡蘿卜素類物質(zhì)主要是葉黃素類，包括葉黃素、玉米黃質(zhì)、新黃質(zhì)、堇菜黃質(zhì)、花藥黃質(zhì)和隱黃質(zhì)等［12］。但各類物質(zhì)含量有較大差異，如在野生種二倍體野生種Solanum phureja（DB375/1）中，玉米黃質(zhì)含量占總類胡蘿卜素含量的51%，花藥黃質(zhì)含量占總類胡蘿卜素含量的25%；在四倍體栽培種中，堇菜黃質(zhì)含量占總類胡蘿卜素含量的51%，新黃質(zhì)含量占總類胡蘿卜素含量的20%［12,14］。Wenhe等［15］研究二倍體野生種和四倍體栽培種雜交群體時發(fā)現(xiàn)，在兩個群體中均鑒定到新黃質(zhì)、堇菜黃質(zhì)、黃體素5,6 環(huán)氧化物、黃體素和玉米黃質(zhì)等6 種類胡蘿卜素物質(zhì)；在二倍體野生種中，類胡蘿卜素物質(zhì)以黃體素5,6 環(huán)氧化物和黃體素為主；在栽培種四倍體中，主要類胡蘿卜素物質(zhì)為堇菜黃質(zhì)，占總類胡蘿卜素含量的40%。眾所周知，β-胡蘿卜素是一種重要的類胡蘿卜素類物質(zhì)，是合成維生素A 的前提，對人類視力具有重要作用，在其他物種如胡蘿卜、甘薯中廣泛存在，而在馬鈴薯中非常微量甚至很難檢出，相反，馬鈴薯是葉黃素和玉米黃質(zhì)的重要來源［13］。葉黃素和玉米黃質(zhì)被認(rèn)為對白內(nèi)障和老年性黃斑變性具有保護(hù)作用，而這兩種病變是導(dǎo)致不可逆視力喪失和失明的主要原因［16-17］。

1.2 馬鈴薯種質(zhì)中類胡蘿卜素的含量差異

類胡蘿卜素含量方面，在馬鈴薯四倍體栽培種中，黃肉品種類胡蘿卜素含量范圍在58～175μg/100g，白肉品種類胡蘿卜素含量低于黃肉品種、在38～62 μg/100g 之間［18］。與四倍體栽培種相比，二倍體野生種的塊莖則具有更高的類胡蘿卜素含量，約為136～1 435 μg/100g，是四倍體黃肉品種的3～13 倍、白肉品種的4～22 倍［15］。Brown［19］研究發(fā)現(xiàn)，在商業(yè)化的馬鈴薯白肉品種和黃肉品種中，類胡蘿卜素含量范圍在50～350 μg/100g 之間，而在短日照南美安第斯山區(qū)的二倍體野生種黃肉品種Papa Amarilla 中，類胡蘿卜素含量范圍則在800～2 000 μg/100g 之間，雜交組合后代中含量則高達(dá)2 600 μg/100g。Hejtmánková［20］研究也發(fā)現(xiàn)，橙色薯肉的野生種二倍體馬鈴薯品種Mayan Queen（S.phureja）含有更高的類胡蘿卜素含量，主要物質(zhì)為玉米黃質(zhì)，含量高達(dá)1.29～2.26 mg/kg。此外，對馬鈴薯二倍體和四倍體塊莖不同發(fā)育階段的類胡蘿卜素含量研究表明，類胡蘿卜素在塊莖成熟中期含量最高，幾乎是塊莖膨大初期的1 倍，隨后含量逐漸下降［21］。

2 馬鈴薯類胡蘿卜素生物合成代謝的調(diào)控

2.1 植物類胡蘿卜素的合成及代謝調(diào)控

近年來，人們對類胡蘿卜素的生物合成途徑進(jìn)行廣泛研究，通過生化分析、經(jīng)典遺傳學(xué)和分子遺傳學(xué)研究，已逐步闡明類胡蘿卜合成的主要途徑（圖1）［22］。

2.1.1 類胡蘿卜素前體的合成 植物細(xì)胞類胡蘿卜素前提的合成主要來自于2-C-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸MEP（2-C-Methyl-D-erythritol 4-phosphate）途徑，即丙酮酸和3-磷酸甘油醛通過縮合反應(yīng)生成1-脫氧-木酮糖-5-磷酸，并通過1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶和5-磷酸脫氧木酮糖還原異構(gòu)酶，催化反應(yīng)生成控制牻牛兒牻牛兒基焦磷酸（GGPP）合成的前體異戊烯焦磷酸（IPP）和二甲基丙烯基二磷酸（DMAPP）。IPP 和DMAPP 通過縮合反應(yīng)生成牻牛兒焦磷酸（C10），然后在牻牛兒牻牛兒基焦磷酸合成酶（GGPPS）的作用下生成GGPP。

2.1.2 胡蘿卜素的合成 從GGPP 生成第1 個類胡蘿卜素物質(zhì)八氫番茄紅素，再經(jīng)脫氫、環(huán)化、羥基化、環(huán)氧化等轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌惡}卜素。其中，八氫番茄紅素合成酶PSY（Phytoene synthase）是類胡蘿卜素合成途徑最重要的限速酶，能催化GGPP（Geranylgeranyl diphosphate）形成無色八氫番茄紅素。八氫番茄紅素脫氫酶PDS（Phytoene desaturase）參與線狀類胡蘿卜素的生物合成，是去飽和非常重要的一類酶，無色八氫番茄紅素在PDS 和其他酶的作用下，生成紅色的全反式番茄紅素。番茄紅素β-環(huán)化酶基因LCYB（Lycopene β-cyclase）和番茄紅素ε-環(huán)化酶LCYE（Lycopene ε-cyclase）是類胡蘿卜素生物合成途徑中的關(guān)鍵分支點，全反式番茄紅素經(jīng)LCYB 和LCYE 催化可分別形成α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素。

2.1.3 含氧類胡蘿卜素的合成 α-胡蘿卜素通過細(xì)胞色素P450 類型羥化酶的羥基化反應(yīng)形成葉黃素，后者由β-胡蘿卜素羥化酶（CHY）羥基反應(yīng)形成玉米黃質(zhì)。玉米黃質(zhì)在玉米黃質(zhì)環(huán)氧化酶ZEP（Zeaxanthin epoxidas）作用下生成花藥黃質(zhì)，進(jìn)而生成堇菜黃質(zhì)。堇菜黃質(zhì)在新黃質(zhì)合成酶NSY（Neoxanthin synthase）的催化下生成新黃質(zhì)，也是該支路上最后一個產(chǎn)物，堇菜黃質(zhì)和新黃質(zhì)被認(rèn)為是ABA 合成的前體物質(zhì)［22］。

2.2 馬鈴薯類胡蘿卜素生物合成的調(diào)控

自20 世紀(jì)80 年代開始馬鈴薯控制薯肉顏色基因的研究以來，類胡蘿卜素基因如Chy、zep、LCYe等已經(jīng)被克隆，且相關(guān)等位基因也已被鑒定。

2.2.1 β-胡蘿卜素羥化酶基因（Chy）早期研究表明，在馬鈴薯中，白肉對黃肉是由單基因Y/y 控制的，并且定位于3 號染色體上［23-24］。Brown 等［25］在一個Stenotomum phureja-S雜交群體中觀察到肉色為橙色、玉米黃質(zhì)含量高的后代個體，認(rèn)為橙色的表型是由馬鈴薯3 號染色體上Y 位點或接近Y 位點的顯性或等位基因OR引起的。但由于缺乏直接的Papa Amarilla 基因庫以外的遺傳性證據(jù)，研究者否定OR 表達(dá)與強顯性單基因Y 遺傳一致的假設(shè)［26］。Brown［27］利用裂解擴(kuò)增多態(tài)序列方法，對二倍體Papa Amarila 衍生的兩個高類胡蘿卜素系雜交后代中β-胡蘿卜素羥化酶Chy 等位基因進(jìn)行鑒別，發(fā)現(xiàn)與黃肉共分離的高類胡蘿卜素親本中有一個Chy等位基因（記為B），而白肉中則存在b，證明β-胡蘿卜素羥化酶編碼單基因Y 或與Y 位點緊密相連。Kloosterman 等［28］使用44KPOCI 陣列進(jìn)行RNA表達(dá)分析鑒定到一個黃色薯肉的eQTL，位于3 號染色體，與Chy2基因的位置相似。Wolters 等［29］從單倍體基因型7322 中克隆到Chy2基因，全長2 255 bp，包含7 個外顯子，并確認(rèn)該基因的一個等位基因是控制白肉和黃肉的顯性基因；進(jìn)而選取4 個單倍體、20 個phureja和chaconese的單株、11 個二倍體的單株對薯肉顏色和SNP 位點進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)chy基因存在8 個不同類型的單倍型，其中單倍型3 和黃肉表型之間具有極強的相關(guān)性［29］。雜合單倍型3 使馬鈴薯肉色呈黃色，表明黃色是由顯性等位基因控制，推測可能是Brown 報道中的B［27］。此外，在四倍體栽培種中，等位基因3 的劑量效應(yīng)平均值最高，而除等位基因3 以外的幾個等位基因，無論在白色還是黃色薯肉中，這些等位基因的存在均不影響肉色值，表明這幾個等位基因與黃肉無關(guān)［29］。

2.2.2 玉米黃質(zhì)環(huán)氧化酶基因（zep）zep是控制橙色薯肉的一個重要候選基因，參與玉米黃質(zhì)向花藥黃質(zhì)、花藥黃質(zhì)向堇菜黃質(zhì)的轉(zhuǎn)變［30］。沉默馬鈴薯zep基因?qū)е埋R鈴薯塊莖中玉米黃質(zhì)和總類胡蘿卜素含量增加［31］，Morris 在馬鈴薯資源中也發(fā)現(xiàn)zep轉(zhuǎn)錄水平與塊莖類胡蘿卜素含量呈相反趨勢［12］。利用番茄BAC 文庫克隆馬鈴薯zep基因，通過對二倍體和單倍體進(jìn)行序列分析，發(fā)現(xiàn)存在5 個單倍型，其中純和的單倍型1在5 個無親緣關(guān)系的橙肉二倍體中存在，表明單倍型1 與橙色薯肉關(guān)聯(lián)。在二倍體IvP92-030 群體（二倍體G254 與SUH2293 雜交的后代）中也獲得Zep等位基因1 參與橙色肉色的遺傳證據(jù)。親本G254 含有Chy2等位基因2 和6，親本SUH2293 含有Chy2等位基因3 和5，親本G254和SUH2293 均含有Zep等位基因1 和2，只有子代IvP92-030-9 和IvP92-030-11 表現(xiàn)出橙肉表型，這兩個子代均含有Chy2等位基因3 和Zep等位基因1 純合。表明獲得橙肉馬鈴薯需要顯性的Chy2等位基因3 和隱性的Zep等位基因1 的純合同時存在［29］。

對玉米黃質(zhì)環(huán)氧化酶（Zep）等位基因的分析表明，所有具有橙色塊莖果肉的（二倍體）基因型均與一個特定的表達(dá)水平降低的Zep等位基因1 純合。與其他Zep等位基因序列進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，隱性Zep等位基因1 的第一個內(nèi)含子中存在一個非LTR（長末端重復(fù)序列）逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子序列，在其他Zep等位基因中是不存在的［29］。而在四倍體中，只有極少數(shù)帶有Stenotomum phureja血緣的個體存在純合等位基因1，推測zep等位基因1 可能是S.phureja所特有［29］。

2.2.3 番茄紅素環(huán)化酶基因（LCYe）LCYe是葉黃素的前體α-胡蘿卜素合成的必需酶［30］，沉默LCYe導(dǎo)致β-胡蘿卜素含量的升高［32］，利用番茄BAC 文庫克隆LCYe，包含11 個外顯子，具有5 個等位基因，盡管等位基因2 和5 中SNP 的突變引起氨基酸的改變，但在C×E 群體驗證表明LCYe沒有對馬鈴薯薯肉顏色產(chǎn)生影響［29］。

此外，Goo 等［33］對5 個馬鈴薯品種的類胡蘿卜素合成基因表達(dá)模式進(jìn)行分析，結(jié)果表明在深黃肉品種Golden Valley 中，參與類胡蘿卜素生物合成途徑的大部分基因如psy1、psy2、pds和zds轉(zhuǎn)錄水平升高，尤其是編碼胡蘿卜素生成前3 步酶的基因psy、pds和zds表達(dá)最為活躍，而LCYe和zep的表達(dá)量則較低。Chy2基因在所有品種中均有較高水平表達(dá)，相反，幾乎沒有檢測到胡蘿卜素異構(gòu)酶和Chy1的表達(dá)。

2.3 馬鈴薯類胡蘿卜素的降解調(diào)控

植物體內(nèi)類胡蘿卜素降解途徑主要包括3 條，即BCH（β-carotene hydroxylase）、LOX（Lipoxy genases）和類胡蘿卜素裂解雙加氧酶（CCD）途徑。（1）BCH 途徑：β-胡蘿卜素在β-胡蘿卜素羥化酶作用下，將β-胡蘿卜素羥化生成β-隱黃質(zhì)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為玉米黃質(zhì)，玉米黃質(zhì)在玉米黃質(zhì)環(huán)氧化酶的催化下環(huán)化形成環(huán)氧玉米黃素和全反式紫黃質(zhì)，這一催化反應(yīng)是可逆的，形成葉黃素循環(huán)［22］。（2）LOX 途徑：脂氧合酶是催化類胡蘿卜素氧化降解的關(guān)鍵酶基因之一，是一種含血紅素鐵的蛋白質(zhì)，廣泛存在于自然界中，在脂質(zhì)的氧化降解中發(fā)揮著重要作用［34］。類胡蘿卜素經(jīng)LOX 酶氧化降解可產(chǎn)生香葉醇、紫黃素、β-大馬酮、茄酮、甲基辛烯酮等香氣物質(zhì)。（3）CCDs 途徑：指植物體內(nèi)的類胡蘿卜素被類胡蘿卜素裂解雙加氧酶氧化裂解生成脫輔基類胡蘿卜素，再經(jīng)9-順-環(huán)氧類胡蘿卜素雙加氧酶（NCED）裂解等步驟產(chǎn)生ABA［35］。類胡蘿卜素裂解雙加氧酶是一個小的基因家族，在擬南芥中發(fā)現(xiàn)9 個不同成員，包括5 個NCED 和4 個CCDs，不同基因家族成員所識別的底物、切割位點以及生成產(chǎn)物不盡相同。迄今為止，已從茶葉［36］、辣椒［37］、番茄［38］、谷子［39］等物種中克隆到CCD 基因家族成員。

目前，在馬鈴薯中克隆到類胡蘿卜素裂解雙加氧酶CCD4，研究發(fā)現(xiàn)白肉塊莖中CCD4基因的表達(dá)水平高于黃肉塊莖。采用RNA 干擾，下調(diào)馬鈴薯CCD4基因的表達(dá)水平，導(dǎo)致類胡蘿卜素含量增加，是非轉(zhuǎn)基因?qū)φ罩仓甑?～5 倍，類胡蘿卜素含量的增加主要是由于紫黃質(zhì)含量的增加，暗示紫黃質(zhì)可能是體內(nèi)類胡蘿卜素裂解雙加氧酶的底物［40］。

3 利用生物強化手段提高馬鈴薯類胡蘿卜素含量

3.1 育種手段

高類胡蘿卜素馬鈴薯種植資源的篩選為高類胡蘿卜素馬鈴薯育種的開展創(chuàng)造了條件。郝智勇等［41］對62 份國家種質(zhì)克山馬鈴薯試管苗保存庫的馬鈴薯資源進(jìn)行篩選，選出類胡蘿卜素含量較高（高于60.38 μg/100g）的資源13 份，以黃肉材料為主。其中，728-6、Kuroda、白頭翁、орбита、米拉的類胡蘿卜素含量分別為70.39、72.12、74.88、78.93、91.84 μg/100g，以米拉的類胡蘿卜素含量為最高。由于馬鈴薯四倍體的類胡蘿卜含量顯著低于二倍體，通過育種手段創(chuàng)制高胡蘿卜素品種主要集中在二倍體資源利用方面，成效顯著。例如，Inca-no-mezame 是具有phureja血緣的二倍體品種，2001 年播種到田間，薯肉呈橙色，塊莖類胡蘿卜素含量極高（530～741 μg/100g,FW），主要為玉米黃質(zhì)（占40%），具有極強抗氧化活性，深受市場喜歡，但缺點是塊莖較小、產(chǎn)量低［42］。在Inca-no-mezame開放授粉的后代中，選育出一個同樣橙色薯肉、高類胡蘿卜素含量的品種Inca-no-hitomi，該品種類胡蘿卜素含量最高達(dá)576 μg/100 g（FW），且塊莖產(chǎn)量大于Incano-mezame［43］。Sakamoto 等［44］利用母本Saikai 35 和父本Saikai 33 選育出Nagasaki Kogane，該品種的類胡蘿卜素含量略低于Inca-no-mezame，但其對PCN、PVY 和青枯病表現(xiàn)出較高抗性，塊莖產(chǎn)量也明顯大于Inca-no-mezame。

3.2 基因強化

與傳統(tǒng)雜交手段相比，通過分子育種手段可以定向調(diào)控馬鈴薯塊莖中類胡蘿卜素的種類和含量，具有傳統(tǒng)育種方法無可比擬的優(yōu)勢。目前通過基因強化馬鈴薯塊莖類胡蘿卜素含量主要有兩種方式：一是通過過量或沉默馬鈴薯類胡蘿卜素合成途徑的基因來實現(xiàn)。例如，通過抑制zep的表達(dá)，抑制玉米黃質(zhì)向紫黃質(zhì)轉(zhuǎn)化，使轉(zhuǎn)基因株系塊莖中的玉米黃質(zhì)含量提高4～130 倍［31］。在馬鈴薯糖蛋白啟動子的控制下，引入LCYe的反義片段沉默LCYe，導(dǎo)致馬鈴薯塊莖類胡蘿卜素含量顯著增加，其中胡蘿卜素含量增幅最大、高達(dá)14 倍，總類胡蘿卜素含量增加2.5 倍［32］。通過沉默類胡蘿卜素脫氫酶chy1 和chy2，轉(zhuǎn)基因塊莖的β-胡蘿卜素含量高達(dá)38 倍，總胡蘿卜素含量上升4.5 倍［45］。

二是通過引入外源基因來實現(xiàn)。將歐文氏菌的八氫番茄紅素合成酶crtB（Bacterial phytoene synthase）導(dǎo)入馬鈴薯四倍體栽培種和二倍體野生種中，在獲得的轉(zhuǎn)基因四倍體栽培種塊莖中，類胡蘿卜素含量比非轉(zhuǎn)基因?qū)φ仗岣? 倍、葉黃素含量提高19 倍，β-胡蘿卜素在對照植株中幾乎檢測不到，在轉(zhuǎn)基因塊莖中含量達(dá)11 μg/g（DW）；而在野生種Mayan Gold 中，轉(zhuǎn)基因塊莖的總類胡蘿卜素含量提高近4 倍［46］。在馬鈴薯中利用塊莖特異性啟動子同時導(dǎo)入歐文氏菌的番茄紅素合成酶CrtB、番茄紅素去飽和酶（CrtI）、番茄紅素β 環(huán)化酶（CrtY）等3 個基因，塊莖呈現(xiàn)金黃色表型，且未伴隨葉片表型發(fā)生改變，類胡蘿卜素含量增加約20 倍，β-胡蘿卜素含量增加3 600倍。此外，有報道表明在其他主糧作物（如水稻）中通過生物強化獲得最高類胡蘿卜素含量的大米，超過黃金大米2 號［47］。由此可知，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)可提高馬鈴薯塊莖類胡蘿卜素含量，尤其是提高β-胡蘿卜素和玉米黃素含量，對滿足人類膳食對類胡蘿卜素的需求具有極大的現(xiàn)實意義。

4 展望

4.1 挖掘馬鈴薯類胡蘿卜素合成調(diào)控相關(guān)基因

目前，只在馬鈴薯類胡蘿卜素合成通路的關(guān)鍵基因功能方面開展了相關(guān)研究。但實際上，類胡蘿卜素調(diào)控可以分為基因型調(diào)控、表觀調(diào)控、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、儲存調(diào)控和環(huán)境調(diào)控等［48］。例如，在擬南芥的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶SDG8（Set domain group 8）缺失突變體中，類胡蘿卜素合成關(guān)鍵基因crtiso由于受其調(diào)控而導(dǎo)致染色質(zhì)甲基化狀態(tài)改變，基因表達(dá)水平降低，葉黃素合成減少［48-49］。在轉(zhuǎn)錄調(diào)控方面，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多轉(zhuǎn)錄因子直接或間接參與蔬菜中類胡蘿卜素的相關(guān)合成與代謝，主要有MYB 家族、BBX 家族、NAC 家族、MADS-box 家族、AP2/ERF 家族等。MYB 家族、BBX 家族和NAC 家族中的一些轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)節(jié)或結(jié)合類胡蘿卜素的相關(guān)合成基因直接調(diào)控作物中類胡蘿卜素的積累；MADS-box 家族、AP2/ERF 家族中的一些轉(zhuǎn)錄因子則是通過調(diào)節(jié)作物的成熟來間接影響類胡蘿卜素的合成［50-51］。例如，在擬南芥中發(fā)現(xiàn)光敏色素互作因子PIF1（bHLH家族）［52］，番茄種果實發(fā)育的核心調(diào)控因子RIN（Ripening Inhibitor，MADS-box 家族）以及木瓜中發(fā)現(xiàn)的CpNAC1均調(diào)控類胡蘿卜的合成［53］。在貯存調(diào)控方面，類胡蘿卜素在植物體內(nèi)的主要合成和貯藏場所是質(zhì)體，因此質(zhì)體發(fā)育和分化是調(diào)控類胡蘿卜素代謝的重要機制［54］。在環(huán)境調(diào)控方面，由于植物所處的環(huán)境因素（如光照、溫度等）發(fā)生改變，會使植物類胡蘿卜素積累水平不同，Pola 等［55］在不同溫度下對辣椒進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)，20℃下辣椒呈橙紅色，30℃下辣椒中的葉綠素迅速降解并且變紅，類胡蘿卜素含量升高，與類胡蘿卜素合成相關(guān)的基因（如psy、LCYb等）表達(dá)上調(diào)。Alba［56］發(fā)現(xiàn)紅光處理可促進(jìn)番茄果實中番茄紅素含量的增加。60 個馬鈴薯品種在黑暗條件下貯藏3～4 個月，均未檢測到玉米黃質(zhì)，表明黑暗能影響類胡蘿卜素物質(zhì)轉(zhuǎn)化［14］。因此，還需進(jìn)一步挖掘和研究影響類胡蘿卜素合成和轉(zhuǎn)化調(diào)控途徑的基因。

4.2 加強馬鈴薯二倍體野生種資源利用

馬鈴薯二倍體野生種中具有很多高類胡蘿卜素資源，且二倍體比四倍體更容易建立遺傳群體開展相關(guān)類胡蘿卜素合成代謝基因挖掘和機制解析。目前，Chy2和zep在二倍體橙色薯肉控制機制研究中已經(jīng)取得良好進(jìn)展，但對其他合成代謝途徑基因的挖掘還有待加強。此外，由于有些調(diào)控高類胡蘿卜的等位基因只存在于二倍體資源中、在栽培種四倍體資源中缺乏，而二倍體和四倍體雜交不親和，如何利用中間媒介材料或利用其他生物學(xué)手段將這類基因?qū)朐耘喾N中進(jìn)而提高類胡蘿卜素水平，也是未來的一個研究方向。