2025年10月7日，华南农业大学的刘耀光院士/祝钦泷教授/陈乐天教授团队在Plant Physiology（IF=6.9）上发表了题为‘eRUBY rice: Co-expression of a feedback-insensitive TyrA arogenate dehydrogenase with RUBY enhances endosperm betalain levels’的文章。研究通过共表达反馈不敏感的酪氨酸脱氢酶(ADHα)和RUBY系统，创制出胚乳富含甜菜红素的水稻种质“红宝石水稻”（eRUBY rice），不仅让大米变红，还显著提升了其抗氧化能力。
译名：eRUBY水稻：通过共表达反馈不敏感的酪氨酸脱氢酶(ADHα)和RUBY系统可提高胚乳中甜菜红素水平
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甜菜红素（betalain）是一类酪氨酸衍生的天然植物色素，主要存在于红甜菜等石竹目植物中，具有强抗氧化、抗炎、抗癌等多种生理活性。然而，大多数粮食作物（如水稻）并不天然合成这类色素。
近年来，科学家利用合成生物学手段，将甜菜红素合成关键基因（如RUBY基因簇）引入水稻、番茄等作物中。然而，传统方法存在表达不稳定、色素含量低等问题—由于甜菜红素的前体物质“酪氨酸”在合成过程中会受到反馈抑制，限制了色素的积累。为此，研究团队引入了一个“神器”—反馈不敏感的酪氨酸脱氢酶（BvADHα），突破酪氨酸合成的瓶颈，从而大幅提升甜菜红素的产量。
1. 构建设计与瞬时表达验证
研究者首先将来自红甜菜（Beta vulgaris）的两个甜菜红素生物合成关键基因BvCYP76AD1和BvDODA1，以及来自紫茉莉（Mirabilis jalapa）的MjDOPA5GT基因进行了密码子优化，并通过P2A肽序列将这3个基因串联为单一开放阅读框，获得了基础的RUBY系统。同时，引入反馈不敏感的酪氨酸脱氢酶BvADHα基因，以增强酪氨酸的生物合成（图1A）。
烟草瞬时转化实验结果显示，单独表达RUBY仅产生浅红色，而共表达RUBY与ADHα则显著加深红色。色素提取与高效液相色谱（HPLC）分析进一步证实，共表达RUBY和ADHα的叶片中甜菜红素含量显著高于单独表达RUBY的叶片，以上表明ADHα通过提升酪氨酸水平促进甜菜红素合成（图1B-C）。
图1 增强型eRUBY系统开发及“红宝石水稻”（eRUBY rice）的创制
2. 水稻稳定转化与籽粒表型分析
为在水稻胚乳中实现甜菜红素的生物合成，研究人员构建了四种用于水稻胚乳特异性表达的表达载体，包括独立表达RUBY与ADHα（RUBY+A）及通过不同2A肽（P2A/F2A）融合的版本（图1D）。所有载体均采用Cre/loxP系统实现标记基因自动剔除，并采用农杆菌转化法导入水稻，由此成功获得了eRUBY水稻株系。
表型观察显示，转基因水稻植株生长正常，其T3代纯合植株籽粒呈现橙红至紫红色，颜色随籽粒发育加深，且色素在胚乳组织中分布均匀（部分植株在非胚乳组织出现红色表型，推测为启动子泄漏表达所致）。色素检测结果显示，与仅单独表达RUBY基因的水稻株系相比，eRUBY水稻胚乳中甜菜红素的含量显著提升，解决了以往水稻胚乳中甜菜红素“含量低、分布不均”的问题（图1E-F）。
3. 功能提升：色素积累增强抗氧化活性
除了检测到主要的甜菜红素（如甜菜苷和异甜菜苷）外，研究还发现了其合成途径中的多种中间代谢物，证明该通路在水稻胚乳中的有效运行。更重要的是，得益于甜菜红素天然的抗氧化特性，eRUBY水稻籽粒提取物的抗氧化活性相比野生型提升了1.36至6.44倍（图1G）。
4. 全局影响：代谢重编程与农艺性状权衡
RNA-seq与代谢组学联合分析发现（图2），转基因籽粒中与酪氨酸、苯丙氨酸合成相关的基因（如OSHAT、OsNAAT5、OsADT）表达上调，而竞争通路（如色氨酸合成）的基因（如OSTSB、OSIP5）表达则被抑制。代谢网络图显示，引入外源基因导致酪氨酸及其前体L-芳基丙氨酸积累。这种“代谢重编程”成功将碳流导向甜菜红素合成，但打破了原有的代谢平衡，对农艺性状产生轻微影响”—转基因株系的穗数更多，但分枝数更少，千粒重更低。
图2 eRUBY水稻中的基因表达与代谢网络
综上，该研究创新性地提出“增强色素合成通路+解除反馈抑制机制”的双基因共表达策略，成功创建了甜菜红素高产的水稻种质eRUBY。研究不仅解决了多基因堆叠中的表达稳定性问题，证实了其作为可视化筛选标记和功能性食品的潜力，还从系统水平上解析了全局代谢网络。后续eRUBY水稻可作为核心种质，与富含其他营养素（如花青素、虾青素）的工程稻杂交，可培育“多营养、多色彩”的新一代功能性主食作物。
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