EEB|兰州大学草地农业科技学院包爱科教授团队通过共表达叶酸合成关键酶基因首次在牧草中实现了叶酸含量与生物量的协同提高

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2026年3月，兰州大学包爱科教授团队在Environmental and Experimental Botany在线发表了题为“Co-expression of GTP cyclohydrolase I and aminodeoxychorismate synthase from alfalfa improves folate accumulation and plant growth in Lotus corniculatus”的研究论文。该研究通过将紫花苜蓿来源的GTP环化水解酶I（GCHI）与氨基脱氧分支酸合酶（ADCS）编码基因MsGCHI和MsADCS聚合导入百脉根，显著提高了转基因植株的叶酸含量。研究表明，外源基因的导入可增加喋呤和对氨基苯甲酸等叶酸合成前体的供应，并上调内源叶酸合成通路相关基因表达，从而协同促进多种叶酸衍生物的积累。转基因植株叶酸含量增加的同时，其营养生长也明显加快，说明强化叶酸代谢有望成为同步提升牧草营养价值与生物量的有效策略。该研究不仅为减少畜牧业生产中对饲料合成添加剂的使用提供了天然替代方案，也为培育优质、高产的豆科牧草新品种奠定了重要基础。

叶酸（Folate）作为一种水溶性B族维生素（维生素B9），在动植物机体新陈代谢和生长发育过程中发挥关键作用。植物与微生物可自身合成叶酸，而人类及其他哺乳动物因缺乏完整合成途径，需依靠饮食摄入以满足其生理需求，其中植物通常是动物获取叶酸的主要来源。

在现代集约化养殖模式下，优良畜禽品种为维持其快速生长和高生产性能，对饲料中叶酸的营养供给提出了更高要求。然而，天然饲料中的叶酸含量已难以满足这一需求。尽管化学合成叶酸可作为补充来源，但其生产成本较高，并存在潜在的安全性风险，限制了其在畜牧业中的广泛应用。

通过生物强化手段提高作物中的叶酸含量，是解决食物中叶酸普遍缺乏问题的有效策略。GTP环化水解酶I（GCHI）与氨基脱氧分支酸合酶（ADCS）是植物叶酸合成通路中两个关键的限速酶，二者编码基因的共表达能显著提高多种转基因作物的叶酸含量。然而，目前该策略主要应用于人类直接食用的主粮作物，在饲料作物，尤其是豆科饲草中的研究仍未见报道。

研究人员首先通过农杆菌介导法将来自紫花苜蓿的叶酸合成关键酶基因MsGCHI和MsADCS转入百脉根，经Basta筛选和PCR鉴定获得13个阳性转基因株系。利用RT-PCR和RT-qPCR检测后，最终筛选出5个双基因高表达株系（GA-2、3、5、10、11）用于后续试验（图1）。

图1 MsADCS (A)和MsGCHI (B)在转基因百脉根中的表达分析

为评估MsGCHI和MsADCS共表达对转基因百脉根叶酸代谢的影响，研究人员利用HPLC-MS/MS分别检测了温室和大田条件下转基因株系叶片和茎中两种叶酸前体（喋呤和对氨基苯甲酸（p-ABA））的含量。结果显示，转基因株系叶片和茎中喋呤含量较对照分别提高2.7倍和3.3倍，p-ABA含量分别增加1.1倍和4.7倍（图2A-B）。田间条件下，GA-3株系叶片和茎中喋呤含量较野生型分别提高0.4倍和4.3倍，p-ABA含量变化趋势与温室条件一致（图2C-D），证实了环境波动下代谢改良效果的稳定性。

图2 温室和大田条件下不同株系百脉根中叶酸前体（喋呤和对氨基苯甲酸（p-ABA））含量

研究进一步对温室和大田条件下的叶酸衍生物及总叶酸含量进行了系统分析。温室条件下，转基因株系叶片和茎中多种叶酸衍生物显著积累：叶酸含量（氧化产物）较对照平均提高2.5倍和2.0倍（图3A）；THF相关衍生物作为主要组分，在GA-3株系分别提高1.2倍和0.5倍（图3B）；此外，5-M-THF和5-F-THF含量显著增加，GA-5株系叶片中5-M-THF提高2.5倍，GA-3株系叶片和茎中5-F-THF分别提高1.4倍和1.7倍。总叶酸含量在转基因株系叶片和茎中较野生型分别提高1.4-2.1倍和1.3-1.7倍（图3C）。田间条件下，GA-3株系叶片和茎中总叶酸含量较野生型分别提高1.2倍和1.6倍，各衍生物积累模式与温室基本一致（图3D-F）。

图3 温室和大田条件下不同株系百脉根中叶酸、四氢叶酸相关衍生物和总叶酸含量

为探究MsGCHI和MsADCS共表达对内源叶酸合成途径的转录调控，研究人员对GA-3和GA-11株系中6个关键酶基因（ADCL、HPPK/DHPS、DHFR、DHFS、DHNA）进行RT-qPCR分析。结果显示，GA-3株系所有基因表达均显著上调；GA-11株系中5个基因显著上调，仅DHFS变化不显著（图4），表明外源基因导入激活了内源叶酸合成通路的协同响应。

图4 温室条件下野生型和两个转基因百脉根株系叶片中叶酸生物合成途径关键酶基因的RT-qPCR分析

为评估转基因植株的生长表现，研究人员对温室和大田条件下的转基因株系进行表型分析。温室条件下，4周龄转基因株系长势优于野生型（图5A），其中GA-3株系株高、地上部干重、根体积和根干重分别较野生型提高29.2%、38.2%、34.9%和89.2%（图5B-F）。

图5 温室条件下野生型和转基因百脉根株系的生长表型分析

田间条件下，转基因植株维持生长优势并出现形态变异：GA-3叶片呈倒卵形、先端圆钝，野生型为斜卵形、先端尖（图6A）；初花期GA-3叶面积、地上部干重、根体积和根干重较野生型分别显著增加61.2%、15.3%、23.3%和18.9%（图6B-E）；移栽82天后GA-3株高和分枝数均高于野生型（图6F-G）

图6 大田移栽后野生型和转基因百脉根株系的生长表型分析

该研究首次在饲料作物中成功实现叶酸生物强化，通过将紫花苜蓿来源的叶酸合成关键酶基因MsGCHI和MsADCS导入豆科牧草百脉根中，不仅有效增加了叶酸合成前体的供应，还协同激活了内源叶酸合成通路相关基因的表达，从而全面提高了总叶酸及各衍生物的积累水平。同时，转基因百脉根在温室和大田条件下均表现出显著的农艺性状改良，包括株高增加、叶面积扩大、根系发育增强及生物量提升等（图7）。该研究不仅为开发叶酸强化型饲料提供了可行策略，也为减少畜牧业对合成添加剂的依赖、培育优质高产的豆科牧草新品种奠定了重要基础。

图7 共表达MsGCHI和MsADCS增加转基因百脉根叶酸生物合成及促进植株生长的模式图

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