综述：通过类胡萝卜素生物强化开发天然彩色棉的视角

这篇综述系统探讨了利用类胡萝卜素生物强化技术开发天然彩色棉（NCC）的前景，重点分析了棉纤维色素合成机制（如苯丙烷类代谢途径）、现有NCC品种的局限性（如强度低/色素不稳定），并提出了通过基因编辑（如PSY/CrtI等关键酶）和代谢工程策略拓展棉花纤维颜色谱系的创新路径。

　　

天然彩色棉的突破之路：类胡萝卜素生物强化的新视角

引言
棉花作为全球最重要的经济作物之一，其纤维在纺织工业中占据主导地位。传统白色棉花需要染色处理，而天然彩色棉（NCC）因纤维中含有天然色素，成为环保纺织品的理想选择。然而，现有NCC品种存在颜色谱系有限（仅棕/绿色系）、纤维强度低、色素不稳定等问题。近年来，通过类胡萝卜素生物强化开发新型NCC成为研究热点。

天然彩色棉的研究进展
目前NCC纤维主要分为棕色棉（BCF）和绿色棉（GCF）两类。BCF的色素主要来源于黄酮类化合物及其衍生物，特别是原花青素（PAs）及其氧化产物。研究发现，BCF中黄酮类合成通路的结构基因（如CHS、F3'H、ANR等）在纤维次生壁增厚期高表达，而MYB-bHLH-WD40转录因子复合物（如GhTT2）调控这一过程。GCF的绿色则与木质素前体咖啡酸及其衍生物在栓质层的沉积相关，4CL2等基因起关键作用。

类胡萝卜素生物合成的分子机制
类胡萝卜素是植物中广泛存在的天然色素，其合成始于质体MEP途径产生的GGPP（牻牛儿基焦磷酸）。PSY（八氢番茄红素合成酶）催化两分子GGPP缩合生成无色的15-顺式八氢番茄红素，随后经PDS、ZDS等酶逐步转化为红色的全反式番茄红素。通过LcyB（番茄红素β-环化酶）或LcyE（ε-环化酶）的作用，类胡萝卜素合成分为α和β两支，最终形成叶黄素、玉米黄质等产物。ORANGE（OR）基因通过促进有色体质形成和稳定PSY蛋白，显著提升类胡萝卜素积累。

作物类胡萝卜素生物强化的成功案例
代谢工程技术已在多种作物中实现类胡萝卜素强化。典型案例包括：

1. "黄金大米"：通过导入PSY、CrtI等基因使稻米胚乳富集β-胡萝卜素（维生素A原）
2. 转基因玉米：组合表达PSY-CrtI-LcyB使籽粒中β-胡萝卜素含量提高169倍
3. 番茄果实：共表达BKT（β-胡萝卜素酮化酶）和BCH（羟化酶）成功合成虾青素
4. 马铃薯块茎：利用OR基因使类胡萝卜素总量增加7倍

开发类胡萝卜素强化NCC的策略
基于棉花纤维转录组数据，提出以下创新方案：

1. 关键基因组合：采用纤维特异性启动子（如FbL2A）在SCW增厚期定向表达PSY-CrtI可产生红色番茄红素；加入LcyB则生成橙色β-胡萝卜素；进一步引入BCH可获得黄色叶黄素
2. 多基因组装技术：利用2A自剪切肽或多基因载体系统实现3-4个目标基因的协同表达
3. 代谢流优化：通过抑制竞争途径（如MVA通路）或过表达OR基因提升色素积累效率

挑战与展望
尽管前景广阔，类胡萝卜素强化NCC仍面临挑战：

1. 纤维发育影响：类胡萝卜素积累可能干扰纤维素沉积，需精确控制色素合成时机（建议限定在20-25 DPA的SCW阶段）
2. 色素稳定性：成熟纤维细胞凋亡导致的ROS爆发可能加速类胡萝卜素降解
3. 监管壁垒：需建立符合生物安全标准的转基因棉花品系选育流程

未来研究应聚焦于：开发高效纤维特异性表达系统、探索类胡萝卜素-纤维素协同沉积机制、利用新型基因编辑技术（如CRISPR）优化代谢通路。通过多学科交叉创新，类胡萝卜素生物强化技术有望突破传统NCC的发展瓶颈，开创纺织工业的绿色革命。