一种利用棉花生产虾青素的方法

本发明涉及一种利用棉花生产虾青素的方法，属于基因工程。

背景技术：

1、虾青素作为脂溶性高值类胡萝卜素，具有卓越的抗氧化活性，是天然食品和饲料着色剂，广泛应用于食品、饲料、医药和化妆品领域。针对天然藻源虾青素产量有限与化学合成品活性较低的问题，植物代谢工程成为生物合成新途径。例如在烟草叶绿体中引入β-胡萝卜素羟化酶(crtz)和β-胡萝卜素酮化酶(crtw)可使叶片虾青素积累达5.44mg/g干重(hasunuma等，2008)；番茄果实中共表达莱茵衣藻β-胡萝卜素酮化酶(crbkt)与雨生红球藻β-胡萝卜素羟化酶(hpbhy)使虾青素积累达16.1mg/g干重(huang等，2013)。主粮作物中，通过胚乳特异性表达八氢番茄红素脱氢酶(crti)、八氢番茄红素合成酶(psy1)、bkt和bhy等关键基因，成功培育出富含虾青素的"astarice"水稻品种(16.23mg/kg干重)(zhu等，2018)；而玉米籽粒利用类似策略结合黄玉米丰富前体物质，使虾青素积累突破100mg/kg干重(liu等，2021)。

2、作为全球最重要的天然纤维作物，棉花研究长期聚焦于纤维品质与产量提升。然而纤维仅占棉花总生物量的五分之一(cai等，2024)，其余生物量如棉籽、叶片和棉铃等常被视为副产品。其中棉籽含17-22％油脂和33-63.7％盐溶蛋白，棉杆纤维转化率约5:1，其中叶片占比24.9％，棉铃占比10.7％

3、(zhong等，2025)。值得注意的是，这些副产品中含有萜类、黄酮和脂肪酸等多种高值功能成分(wu等，2022；xu等，2021)，是食用油和饲料的重要来源。然而棉副产品尤其是棉杆的潜力尚未充分开发，导致资源浪费严重。这主要源于棉副产品缺乏特色化开发，因此运用合成生物学工具实现棉副产物的全效利用是提升其综合利用价值的有效途径。但棉花中的虾青素合成研究尚属空白，其籽粒或组织能否积累虾青素以提升附加值仍有待探索。

4、另外，棉酚是棉花中特有的一种有毒物质，主要存在于棉籽及其提取物中。棉酚分为游离棉酚和结合棉酚，其中游离棉酚对人体毒性较大，它会对人体的多个系统造成损害，包括肝脏、肾脏、心脏、神经系统等，还可能会影响生殖功能。而且由于棉酚的存在，粗制棉籽油是不能食用的，通常需要通过精炼工艺将棉籽油中的棉酚含量降低到安全范围，这也限制了棉籽的应用。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明在棉花中导入虾青素合成基因，使棉花的副产物叶片和铃壳合成虾青素，而不影响棉花纤维的获取，同时能够降低棉花中特有的对人体有毒的棉酚含量。本发明成功培育了能够生成虾青素的棉花材料，并同时提供了一种利用转基因植物合成虾青素的新方法。

2、本发明的第一个目的是提供一种合成虾青素的棉花材料的构建方法，包括将虾青素合成基因进行棉花转化的步骤；其中，所述虾青素合成基因为β-胡萝卜素酮化酶编码基因和β-胡萝卜素羟化酶编码基因。

3、进一步地，所述棉花转化包括：将含有虾青素合成基因表达框的重组质粒转入棉花茎尖。

4、进一步地，所述棉花茎尖中整合表达(用植物通用lb/rb插入)了虾青素合成基因表达框。

5、进一步地，将虾青素合成基因表达框转入棉花茎尖，茎尖再生为完整的植株，自交，筛选得到纯合株系，得到所述合成虾青素的棉花材料。

6、进一步地，所述棉花包括中棉49号。

7、进一步地，所述虾青素合成基因表达框中，所述β-胡萝卜素酮化酶来源于chlamydomonas reinhardtii；所述β-胡萝卜素羟化酶来源于haematococcus pluvialis。

8、进一步地，所述虾青素合成基因表达框中，β-胡萝卜素酮化酶或β-胡萝卜素羟化酶编码基因由cmpl启动子启动表达。

9、进一步地，所述虾青素合成基因表达框中还含有质体定位信号肽。

10、进一步地，所述质体定位信号肽包括zmssu1信号肽；所述zmssu1信号肽的序列见seq id no.1。

11、进一步地，所述虾青素合成基因表达框中含有连接的zmssu1-bkt和zmssu1-bhy，所述zmssu1-bkt的序列见seq id no.2，所述zmssu1-bhy的序列见seq id no.3。

12、本发明的第二个目的是提供所述构建方法得到的棉花材料在合成虾青素中的应用。

13、本发明的第三个目的是提供一种利用棉花合成虾青素的方法，包括以下步骤：将虾青素合成基因表达框整合至棉花基因组，得到再生棉株，利用所述再生棉株合成虾青素；

14、其中，所述虾青素合成基因为β-胡萝卜素酮化酶编码基因和β-胡萝卜素羟化酶编码基因。

15、进一步地，所述虾青素由再生棉株的叶片、铃壳、棉籽中至少一种合成。

16、进一步地，采用芽顶分生组织细胞介导的转化系统将虾青素合成基因表达框整合至棉花基因组。

17、本发明的有益效果：

18、本发明首次在棉花中导入虾青素合成基因，成功在棉花中构建虾青素合成途径，并实现了虾青素的高效合成。更重要地，该转基因棉花仍保留主要产品——棉花纤维的生产，还能利用副产物(叶片、铃壳、棉籽等)合成虾青素，为虾青素的合成提供了一种新的方法。由本发明构建的再生棉株实现了在转基因植物中虾青素的异源合成，且显著降低了有毒棉酚的含量，具有广阔的应用前景。

1.一种合成虾青素的棉花材料的构建方法，其特征在于，包括将虾青素合成基因进行棉花转化的步骤；其中，所述虾青素合成基因为β-胡萝卜素酮化酶编码基因和β-胡萝卜素羟化酶编码基因。

2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，至少含有以下特征中的一项：

3.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述构建方法具体为：将虾青素合成基因表达框转入棉花茎尖，茎尖再生为完整的植株，自交，筛选得到纯合株系，得到所述合成虾青素的棉花材料。

4.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述棉花包括中棉49号。

5.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，至少含有以下特征中的一项：

6.根据权利要求5所述的构建方法，其特征在于，至少含有以下特征中的一项：

7.权利要求1-6任一项所述构建方法得到的棉花材料在合成虾青素中的应用。

8.一种利用棉花合成虾青素的方法，其特征在于，包括以下步骤：将虾青素合成基因表达框整合至棉花基因组，得到再生棉株，利用所述再生棉株合成虾青素；

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述虾青素由再生棉株的叶片、铃壳、棉籽中至少一种合成。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，采用芽顶分生组织细胞介导的转化系统将虾青素合成基因表达框整合至棉花基因组。