En las plantas metabolícamente modificadas, los productos objetivo suelen estar distribuidos uniformemente en toda la planta o en tejidos específicos. Al modificar el tabaco para producir astaxantina, un cetocarotenoide con fuerte actividad antioxidante y múltiples bioactividades, se observó una distribución dispersa de las regiones productoras de astaxantina en una pequeña porción de plantas de tabaco productoras de astaxantina, lo que causó manchas rojas y verdes similares a un mosaico en las hojas (mosaico ASTA). Un ensayo fisiológico mostró que la región verde no productora de astaxantina (Mosaic_G) tenía un contenido de clorofila relativamente más alto y una mejor estructura de cloroplastos que la región productora de astaxantina (Mosaic_R). Luego, se emplearon metabolómica, proteómica y transcriptómica de pequeños ARN para analizar la distribución desigual de las regiones productoras de astaxantina en las hojas de tabaco. Los resultados de la metabolómica y la proteómica revelaron una disminución en el metabolismo de carotenoides, la biosíntesis de clorofila y la degradación de clorofila en la región Mosaic_G. Se encontró que la feoforbida a, un intermedio de la degradación de clorofila, estaba significativamente reducida en la región Mosaic_G, lo que se acompañó de la atenuación de la clorofilasa y la feofitinas, que catalizan la formación de feoforbida a en la degradación de clorofila. Se observaron reducciones en las proteínas de antena fotosintética y en las proteínas asociadas al fotosistema en la región Mosaic_R, consistente con la mejor estructura de cloroplastos de la región Mosaic_G. La transcriptómica de pequeños ARN mostró que varios pequeños ARN podían dirigirse a los genes degradativos de clorofila, pero eran más efectivos en dirigirse a los genes biosintéticos de astaxantina. Este hallazgo fue respaldado por el hecho de que la región Mosaic_G puede permanecer verde hasta la senescencia de las hojas de tabaco. Este trabajo proporciona información sobre el mecanismo de la distribución desigual de las regiones productoras de astaxantina en las hojas de tabaco y puede contribuir a la utilización especializada de las plantas de tabaco para la ingeniería metabólica.