通過合成生物學技術培育藍色玫瑰——利用鏈黴菌的藍色次級代謝產物製造藍色花卉

2021-01-15 中國生物技術網

　　藍色代表著沉靜與希望，具有「藍色妖姬」之稱的藍玫瑰更是浪漫愛人間真情的象徵。然而遺憾的是天然的藍色玫瑰並不存在，目前市面上出售的藍玫瑰是通過藍色化學染料染制而成。園藝學家們幾百年來試圖利用傳統育種的方法獲得藍色玫瑰，但一直沒有成功，所以在英文中「blue rose」也被用來代指不可能完成的任務。這更使得藍色玫瑰成為人們心中嚮往的浪漫之花。 

　　在2008年，日本三得利公司利用分子遺傳學的手段將花青素的合成酶基因引入玫瑰的基因組中，宣稱獲得了顏色接近藍色的玫瑰花，但其花瓣的顏色更接近淡紫色，並沒有被廣泛接受。為此各個國家的科學家們仍在不斷努力，以期獲得藍色的玫瑰花。 

　　近日，中國科學院微生物研究所的陳義華研究員和天津大學的張雁教授課題組合作在ACS Synthetic Biology雜誌上發表題為「Cloning and expression of a non-ribosomal peptide synthetase to generate blue rose」的文章，報導了將來源於細菌的非核糖體肽類藍色色素——穀氨醯胺藍靛素成功表達在白色玫瑰花瓣中，使其呈現藍色的工作進展。穀氨醯胺藍靛素合成酶基因idgS發現於鏈黴菌中，該合成酶能夠利用普遍存在於細胞內的胺基酸L-穀氨醯胺作為底物，形成具有共軛結構的藍色色素-穀氨醯胺藍靛素（indigoidine，如下圖）。在前期的研究中，陳義華課題組成功地利用穀氨醯胺藍靛素合成酶基因建立了應用於鏈黴菌的高效敲除系統，以及應用於大腸桿菌中的質粒克隆工具，兩部分工作分別於2015年和2017年發表在Appl Microbiol Biotechnol雜誌上。在產生利用合成生物學技術將細菌產生的穀氨醯胺藍靛素在玫瑰花瓣中表達來製造藍色玫瑰花的想法後，陳義華研究員和張雁教授課題組通力合作，將穀氨醯胺藍靛素合成酶基因idgS及負責該蛋白翻譯後活化的基因（sfp）構建在含有玫瑰花瓣特異性啟動子及終止子的植物雙元表達載體中，並通過農桿菌介導的方式在白玫瑰的花瓣中進行瞬時表達。經過12小時的培育後發現確實可以將白色的玫瑰花瓣變為藍色。另外，實驗對照組的結果證明缺少其中任何一個基因都不能使花瓣變藍。對花瓣中的色素進行提取和鑑定證明其組成確實就是穀氨醯胺藍靛素。 

　　這一工作在合成生物學理念指導下，突破了植物通過不同花青素來控制花卉顏色的固有思路，證明了利用細菌產生的藍色色素來製造藍玫瑰的可能性。未來的工作中，陳義華研究員和張雁教授將與園藝學專家進一步合作，爭取早日通過遺傳改造獲得以穀氨醯胺藍靛素為花瓣色素的藍色系列花卉，讓被認為不可能培育的藍色玫瑰花生長在祖國的土地上。 

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