類胡蘿卜素是一類重要的天然色素，也是生物體內(nèi)維生素A的主要來源，作為植物營養(yǎng)素具有促進(jìn)生物健康的特性，使其成為生物強化的理想目標(biāo)。有色體是一種特化的質(zhì)體，能夠儲存大量的類胡蘿卜素和其他色素，為植物提供黃色至紅色范圍的顏色。調(diào)控有色體的分化是改善果蔬及糧食作物營養(yǎng)的非常有前途的策略。然而，迄今為止，只有非常少的有色體發(fā)育誘導(dǎo)劑被發(fā)現(xiàn)。橙色（Orange，OR）分子伴侶是其中表現(xiàn)最突出的，但它們僅在某些組織中起作用，其促進(jìn)有色體分化的具體機(jī)制仍不清楚。因此，實現(xiàn)有色體分化的基礎(chǔ)研究和生物技術(shù)應(yīng)用都需要對調(diào)控有色體分化過程的分子機(jī)制有更好的了解。

2020年8月19日，PNAS在線發(fā)表了西班牙，法國，德國，澳大利亞四國學(xué)者合作的題為“Synthetic conversion of leaf chloroplasts into carotenoid-rich plastids reveals mechanistic basis of natural chromoplast development”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了有色體發(fā)育的機(jī)制，并實現(xiàn)在不產(chǎn)生有色體的組織中人工誘導(dǎo)有色體的產(chǎn)生。

有色體可以由白色體和葉綠體轉(zhuǎn)化而來，在許多植物的花朵和果實的發(fā)育過程中，葉綠體會轉(zhuǎn)化為有色體，但是只在少數(shù)幾種植物的葉片中，葉綠體會轉(zhuǎn)化為有色體。葉綠體到有色體的分化過程中最顯著的變化是內(nèi)部質(zhì)體結(jié)構(gòu)的重組，光合作用能力的喪失和類胡蘿卜素色素的大量積累。內(nèi)部質(zhì)體結(jié)構(gòu)的重塑產(chǎn)生不僅增加了代謝物沉積容納能力，也促進(jìn)了類胡蘿卜素的生物合成。

類胡蘿卜素合成途徑的第一步是茄紅素的合成，作者發(fā)現(xiàn)在例如生菜葉片，西葫蘆的果實超表達(dá)細(xì)菌中負(fù)責(zé)茄紅素合成的crtB可以誘導(dǎo)葉綠體向有色體轉(zhuǎn)變，當(dāng)靶向的只在質(zhì)體中表達(dá)crtB酶時，僅僅觸發(fā)葉綠體向有色體的轉(zhuǎn)化。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)有色體合成后會對核基因的表達(dá)以及初生代謝產(chǎn)生巨大的影響。而且，葉綠體中茄紅素的積累會干擾光合作用，從而誘導(dǎo)了葉綠體向有色體的轉(zhuǎn)換。

該研究首次發(fā)現(xiàn)只需要代謝誘因（例如足夠的茄紅素的積累）就能誘導(dǎo)有色體的分化發(fā)育。在植物自然生長過程中，發(fā)育因素調(diào)控葉綠體成分及類胡蘿卜素生物合成，這一過程產(chǎn)生的信號，通過重新編碼核基因表達(dá)和全細(xì)胞代謝來控制葉綠體向有色體的分化。該研究除了成功地解決了植物生物學(xué)中一個長期存在的問題，也開發(fā)出一種強大的生物技術(shù)工具，即誘導(dǎo)葉綠體向有色體按需分化的非常簡單和直接的系統(tǒng)，也是迄今為止在每一種測試植物中均能很好運行的系統(tǒng)。當(dāng)植物的光合作用是不必要的時候（例如，在收獲之前），利用該系統(tǒng)提高有色體和類胡蘿卜素的含量，可以提高果蔬菜，飼料作物和糧食作物的營養(yǎng)質(zhì)量。