Multiplex gene editing enables the multibiofortification of essential vitamins and other health-promoting phytonutrients in tomato

微量营养素 番茄红素 生物 生物强化 类胡萝卜素 叶黄素 生物技术 维生素A缺乏 维生素 基因 B族维生素 抗坏血酸 维生素E 食品科学 突变体 作物 基因组 基因组编辑 多路复用 视黄醇 遗传学 营养不良 生物化学 必需营养素 代谢途径 细胞生长 植物 维生素C β-胡萝卜素
作者
Yechun Hong,Zongjun Yu,Wenbo Zhu,Jialei Sun,Zeyao Zhu,Zhen Wang,Min-Jie Cao,Zhaobo Lang,Yu‐Xuan Lyu,Pengpeng Liu,Jian-Kang Zhu
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:123 (22)
标识
DOI:10.1073/pnas.2603937123
摘要

Dietary deficiencies in essential micronutrients and other phytonutrients represent a global health and economic burden, contributing to “hidden hunger” and chronic diseases. While genome editing has been employed to improve individual nutritional traits in crops, multibiofortification through simultaneous modification of multiple distinct metabolic pathways is more challenging. Here, we designed a multiplex CRISPR-Cas strategy to edit five key genes in tomato: Sl7-DR2 , SlGAD3 , SlSGR1 , SlGGP1 , and SlGGP2 . This approach successfully generated quintuple mutant ( 5m ) tomato lines simultaneously biofortified with seven health-promoting compounds: vitamin D 3 (from 0 to 0.70 μg/g dry weight), vitamin C (up to 2.53-fold), provitamin A/β-carotene (up to 3.86-fold), α-carotene (up to 2.47-fold), lutein (up to 3.26-fold), lycopene (up to 7.07-fold), and γ-aminobutyric acid (GABA, up to 5.26-fold). Notably, these multibiofortified tomatoes exhibited no significant trade-offs in plant growth or fruit quality. Extracts from 5m tomatoes showed enhanced suppression of colorectal cancer cell proliferation in vitro. This antiproliferative effect was validated in vivo, where dietary supplementation with 5m tomato powder significantly inhibited tumor growth in a mouse xenograft model. Our work demonstrates an effective strategy for developing a next generation of “functional foods” through multibiofortification, creating a single, nutrient-dense crop that combats both micronutrient malnutrition and chronic diseases.
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