《Environmental and Experimental Botany》：Co-expression of GTP cyclohydrolase I and Aminodeoxychorismate synthase from alfalfa improves folate accumulation and plant growth in
Lotus corniculatus
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为解决饲料作物中叶酸（维生素B9）含量不足、难以满足现代集约化畜牧生产营养需求的问题，本研究通过代谢工程方法，将来自紫花苜蓿的GTP环化水解酶I (MsGCHI) 和氨基脱氧分支酸合酶 (MsADCS) 基因在重要豆科牧草百脉根 (Lotus corniculatus) 中共表达。结果表明，温室与田间试验的转基因植株叶片总叶酸含量最高提升至野生型的2.1倍，多种叶酸衍生物及其前体（蝶啶类和p-ABA）水平也显著增加，且植株营养生长得到同步增强。该研究为通过生物强化策略开发营养富集型牧草提供了关键概念验证。
“喂”出来的学问：如何让牧草更营养？科学家给百脉根装上“叶酸引擎”
在现代化、集约化的畜牧生产中，动物们不仅要吃得饱，更要吃得好、吃得营养。叶酸，也被称为维生素B9，就是这样一种对动物生长、繁殖和免疫力至关重要的营养素。它是生命体中一碳代谢不可或缺的辅助因子，参与核酸、氨基酸等重要物质的合成。然而，一个尴尬的现实摆在面前：作为人类和动物膳食中叶酸主要来源的植物，其天然叶酸含量往往“捉襟见肘”，难以满足高产性能畜禽品种日益增长的需求。对于反刍动物来说，虽然瘤胃微生物能合成一部分叶酸，但在泌乳、妊娠等高需求时期仍需额外补充；而对于家禽和猪，叶酸缺乏更是会直接影响生长与健康。目前，依赖人工合成的叶酸添加剂不仅成本高昂，还存在潜在的安全隐忧。因此，能否从源头——即饲料作物本身——入手，通过“生物强化”的策略，像给汽车升级引擎一样，提升其叶酸生产能力，成为了一个极具吸引力的科研方向。
代谢工程，这项通过改造生物体内特定代谢途径来优化目标产物合成的技术，为此提供了可能。此前的研究已在水稻、番茄等粮食作物中证明，通过操纵叶酸合成通路中的关键限速酶，可以显著提高籽粒或果实中的叶酸含量。那么，这个策略在重要的牧草，尤其是营养价值高、适口性好的豆科牧草上是否同样可行呢？这不仅关系到能否开发出新型营养饲料，更可能因为叶酸参与植物自身生长代谢，而带来“增产又增质”的双重效益。兰州大学的研究团队将目光投向了百脉根 (Lotus corniculatus)，这是一种广泛栽培、适应性强的优质豆科牧草。他们从另一种常见牧草紫花苜蓿 (Medicago sativa) 中“借”来了两个关键基因：MsGCHI和 MsADCS，它们分别编码叶酸合成通路中蝶呤分支和对氨基苯甲酸 (p-ABA) 分支的起始限速酶。将这两个基因在百脉根中共表达，就好比为叶酸工厂同时增设了两条并行的、高效率的原料生产线。这项研究成果发表在了植物科学领域的知名期刊《Environmental and Experimental Botany》上。
为了验证这一构想，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，他们利用农杆菌介导的遗传转化方法，将构建好的包含MsGCHI和MsADCS的双价表达载体导入百脉根子叶，经过筛选获得了转基因植株。其次，通过聚合酶链式反应 (PCR)、逆转录PCR (RT-PCR) 和实时荧光定量PCR (RT-qPCR) 对转基因植株进行了分子鉴定与基因表达水平分析。关键的代谢物检测则采用了高效液相色谱-串联质谱联用技术 (HPLC-MS/MS)，对转基因与野生型植株叶片和茎中的叶酸总量、多种叶酸衍生物（如5-甲基四氢叶酸[5-M-THF]、四氢叶酸[THF]相关池等）及其前体物质（蝶啶类和游离p-ABA）进行了精确定量。最后，为了评估其农艺性状，研究在温室和田间（兰州大学榆中试验站）两种条件下，系统测定了转基因植株的株高、叶面积、分枝数、生物量（鲜重与干重）及根体积等一系列生长指标。
研究结果揭示了“叶酸引擎”带来的多重积极效应：
1. 成功获得共表达MsGCHI和MsADCS的转基因百脉根
研究人员成功将MsGCHI和MsADCS基因导入百脉根，并通过分子检测确认了13个独立的阳性转基因株系。从中筛选出MsGCHI和MsADCS表达量均较高的5个株系（GA-2, GA-3, GA-5, GA-10, GA-11）用于后续深入研究。
2. 共表达MsGCHI和MsADCS促进了转基因百脉根中叶酸前体的生物合成
无论是在温室还是田间条件下，转基因植株叶片和茎中的叶酸合成前体物质含量均显著高于野生型。具体表现为总蝶啶类（以蝶呤为标准物定量）和游离p-ABA水平的大幅提升，这证实了外源基因的导入有效增加了叶酸合成的“原料”供应。
3. 转基因百脉根中叶酸衍生物和总叶酸积累量增加
代谢谱分析显示，转基因植株中多种具有生物活性的叶酸衍生物，包括5-M-THF、5-甲酰基四氢叶酸 (5-F-THF) 以及核心的THF相关池（包含THF和5-亚甲基四氢叶酸）的含量均显著上升。相应地，叶片和茎中的总叶酸含量也实现了大幅增长。在温室条件下，转基因叶片总叶酸最高达到野生型的2.1倍，茎中达到1.7倍；田间条件下，代表性株系GA-3的叶片和茎总叶酸也分别提高了1.2倍和1.6倍。
4. 共表达MsGCHI和MsADCS上调了转基因百脉根植株中叶酸生物合成相关基因的表达
RT-qPCR分析发现，在叶酸含量较高的转基因株系（如GA-3）中，叶酸合成通路下游多个关键内源基因（如ADCL, HPPK/DHPS, DHFR等）的转录水平被显著上调。这表明增加前体供应可能激活了内源通路的协同响应，形成了更高效的叶酸生物合成网络。
5. 共表达MsGCHI和MsADCS的转基因百脉根在温室和田间条件下均表现出改善的生长性能
表型分析带来了更令人欣喜的发现：转基因植株不仅叶酸多了，长得也更好了。在温室中生长4周后，转基因株系表现出更高的株高、更大的叶面积、更发达的根系（根体积和根干重显著增加）以及更高的地上部生物量。在田间试验中，转基因植株同样保持了这种生长优势，叶片形态甚至发生了改变（叶形更圆阔），并且在生长后期（移栽后82天）保持了更高的株高和更多的分枝数。
结论与讨论：迈向“营养-产量”双赢的牧草育种新策略
这项研究成功地将在紫花苜蓿中克隆的MsGCHI和MsADCS基因在百脉根中共表达，首次在豆科牧草中实现了通过代谢工程手段显著提高叶酸含量的目标。其意义远不止于单一营养成分的强化。
首先，它验证了在光合组织（叶片和茎）为主的饲用植物中进行叶酸生物强化的可行性，将相关研究从粮食作物扩展到了饲料作物领域。其次，研究揭示了共表达策略的有效性：同时增强蝶呤和p-ABA两条分支的合成能力，可以更平衡、高效地驱动整个叶酸合成通路，避免因单一前体过剩造成的代谢瓶颈。这为其他作物的营养强化提供了可借鉴的策略。
更为重要的是，本研究观察到了“代谢强化”与“生长促进”的协同效应。叶酸作为一碳代谢的核心，其水平的提升可能通过多种机制促进植物生长：例如，为嘌呤、氨基酸和蛋白质合成提供充足的C1单位；支持S-腺苷甲硫氨酸 (SAM) 依赖的甲基化反应，从而调控与营养利用效率相关的基因表达；特别是对根系发育的显著促进，可能增强了植株对水分和养分的吸收能力，对于依赖根瘤固氮的豆科植物而言，发达的根系也有利于共生体系的建立与功能发挥。因此，这项研究不仅为开发“营养强化型”牧草、以更可持续的方式补充畜牧业叶酸需求提供了关键的概念验证，更展示了一种通过改造核心代谢通路，同时实现作物“营养价值”和“农艺产量”提升的潜在新途径。未来，结合饲喂试验和更长期的农艺评估，将进一步明确这种转基因牧草在畜牧生产中的应用潜力与价值。
