Engineering Isoprenoid Biosynthesis in Artemisia annua L. for the Production of Taxadiene: A Key Intermediate of Taxol
- 作者
- Meiya Li, Fusheng Jiang, Xiangli Yu, Zhiqi Miao
- 单位
- Fudan-SJTU-Nottingham Plant Biotechnology R&D Center, School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University; Institute of Biotechnology, College of Life Science, Zhejiang Chinese Medical University
- DOI
- 10.1155/2015/504932
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
紫杉醇（Taxol）是重要抗癌药物，但天然红豆杉资源有限、生长缓慢且难以遗传转化，导致紫杉醇来源受限；本研究旨在利用生长快、萜类前体丰富的青蒿（Artemisia annua L.）作为宿主，通过代谢工程导入紫杉醇关键中间体紫杉二烯的合成途径，验证在青蒿中生产紫杉二烯的可行性。
研究策略
将来自红豆杉的紫杉二烯合酶基因（TXS）构建到植物表达载体pCAMBIA1304中，置于CaMV 35S启动子控制下，通过农杆菌介导的叶盘法转化青蒿；利用青蒿内源丰富的GGPP前体，引导代谢流合成紫杉二烯，并通过GC-MS检测与定量。
核心内容
本研究将红豆杉来源的紫杉二烯合酶基因（TXS）置于CaMV 35S启动子控制下，通过农杆菌介导的叶盘法转化青蒿，成功实现了紫杉醇关键中间体紫杉二烯在青蒿中的异源合成。经PCR和Southern blot确认，共获得30个独立转基因株系，TXS及hptII基因稳定整合。GC-MS检测显示，紫杉二烯含量范围为4.4～129.7 μg/g干重，其中line 55产量最高，其TXS表达量约为line 11和56的3倍。与在拟南芥和番茄中表达TXS导致生长抑制不同，转基因青蒿的株高、分枝数及干重与野生型无显著差异，且紫杉二烯主要积累于茎部而非叶片。田间生长2.5个月时，转基因株系青蒿素含量（0.057%～0.066%）显著低于野生型的0.58%，表明TXS引入影响了FPP代谢流分配；但至6.5个月开花期，青蒿素含量恢复至野生型水平，紫杉二烯含量亦进一步提高。该研究证实了利用青蒿同时生产青蒿素和紫杉二烯的可行性，为后续在青蒿中构建完整紫杉醇生物合成途径奠定了基础。
创新点
首次在青蒿中表达TXS生产紫杉二烯；与拟南芥和番茄中表达TXS导致生长迟缓和光合色素降低不同，转基因青蒿未出现生长抑制或光合作用变化；紫杉二烯主要积累于茎部，而青蒿素积累于叶片，实现一株植物同时生产两种重要化合物。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua L. | 紫杉烷/紫杉二烯生物合成（紫杉醇前体）途径 | TXS | taxadiene synthase | 催化 | 来自Taxus，定位于质体，催化GGPP环化生成紫杉二烯；通过农杆菌介导法转入青蒿 |
关键发现
- 获得30个独立转基因青蒿株系，PCR和Southern blot确认TXS及hptII基因稳定整合
- GC-MS检测到紫杉二烯在转基因株系中积累，含量范围为4.4～129.7 μg/g干重，最高产自line 55
- line 55中TXS表达量约为line 11和56的3倍
- 在田间生长2.5个月时，转基因line 55和56的青蒿素含量分别为0.057%和0.066%，显著低于野生对照的0.58%，表明TXS引入改变了FPP代谢流
- 当生长6.5个月开花期时，转基因株系紫杉二烯含量进一步提高且主要积累于茎部（茎中高于叶片），青蒿素含量与野生型相近
- 转基因植株（如line 55株高182.5 cm、干重567 g）与野生型（ck1-6株高180-185 cm、干重530-575 g）在株高、分枝数、茎粗和整株干重上无显著差异
- 种子略小略轻但不影响萌发率。
研究结论
在青蒿中通过遗传工程改造异戊二烯生物合成生产紫杉二烯是可行的。TXS的表达不会引起生长迟缓和光合抑制，且紫杉二烯主要富集于茎部，青蒿素富集于叶片，因此转基因青蒿可同时用于生产青蒿素（叶）和紫杉二烯（茎），为后续导入更多紫杉醇生物合成基因以获得高级紫杉烷奠定了基础。