通过 GmCGS2 基因缺失提高大豆种子甲硫氨酸和半胱氨酸含量且不影响产量

《BMC Plant Biology》：Ectopic expression of a deletion variant of cystathionine gamma-synthase 2 (GmCGS2) in soybean increases expression of genes encoding sulfur amino acid-rich proteins

　　

摘要

背景

大豆中的甲硫氨酸（Met）和半胱氨酸（Cys）含量对于牲畜饲料来说并不理想。此前，通过过表达植物中的半胱硫氨酸γ-合成酶（CGS）可以增加这些氨基酸的含量，但同时也导致了严重的不良表型。不过，那些能够提升营养价值的富含甲硫氨酸和半胱氨酸的蛋白质尚未被鉴定出来。

结果

将GmCGS2的缺失突变体在外源表达于大豆中，观察到其表达水平和模式多种多样。通过使用大豆泛素启动子并在GmCGS2基因的K66至S143位点进行框内缺失操作，成功提高了大豆种子的甲硫氨酸和半胱氨酸含量，且未对产量产生负面影响。在该 Chip 农田试验中，转基因植株的自由甲硫氨酸含量增加了41%至114%，总半胱氨酸含量增加了10%至12%，总甲基硒蛋白（Total Met）含量增加了4.7%至7.3%。对发育中的种子进行RNA测序分析后发现，三种富含半胱氨酸的Bowman-Birk蛋白酶抑制剂（BBI）基因和两种富含甲硫氨酸的2S白蛋白基因的转录水平升高，而主要参与硫代谢的基因则几乎没有变化。胰蛋白酶-琼脂糖色谱分析、蛋白酶抑制试验和质谱分析均证实BBI和2S白蛋白蛋白的含量有所增加。额外产生的BBI蛋白占转基因种子总蛋白的1.5%至1.8%，这一比例足以解释半胱氨酸含量的增加。值得注意的是，尽管过表达了一种以半胱氨酸为底物的甲硫氨酸生物合成酶，总半胱氨酸含量的增加幅度仍高于总甲硫氨酸含量，这表明自然界中可能缺乏能够利用这些额外游离甲硫氨酸的天然富含甲硫氨酸的蛋白质。

结论

本研究表明，可以通过调控CGS来提高大豆种子的总硫氨基酸含量而不影响产量，同时鉴定出了对成分改善有贡献的富含硫氨基酸的蛋白质，并为为什么有必要开发高甲硫氨酸含量的大豆蛋白提供了理论依据。