Insights into enhancing Centella asiatica organ cell biofactories via hairy root protein profiling
- 作者
- Miguel Angel Alcalde, Diego Hidalgo-Martinez, Roque Bru Martínez, Susana Selles-Marchart, Mercedes Bonfill, Javier Palazon
- 单位
- Cesar Vallejo University, Peru; University of Barcelona, Spain; University of Alicante, Spain
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2023）
- DOI
- 10.3389/fpls.2023.1274767
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析积雪草毛状根中与积雪草苷（centelloside）生产能力相关的蛋白质组差异，鉴定可追踪的生物标志物，以优化毛状根作为植物生物反应器的性能。
研究策略
对已按积雪草苷产量分型（HIGH/MID/LOW）的积雪草毛状根及不定根进行无标记定量蛋白质组学分析，结合OPLS-DA多变量分析、S-plot生物标志物筛选、STRING蛋白网络分析，并通过qPCR测定rol基因拷贝数及qRT-PCR检测基因表达水平。
核心内容
本研究对按积雪草苷产量分型的积雪草毛状根（高产HIGH、中产MID、低产LOW）及不定根进行无标记定量蛋白质组学分析，结合OPLS-DA多变量建模、S-plot生物标志物筛选和STRING蛋白网络分析，旨在解析毛状根次生代谢能力差异的蛋白水平基础。共定量213个蛋白，模型解释力良好（Q2=0.861），HIGH、MID、LOW系积雪草苷产量分别为4.96、2.48、0.54 mg/g干重。HIGH与LOW比较鉴定出44个差异蛋白，其中鸟氨酸环脱氨酶（OCD）被确认为积雪草苷生产能力的可靠生物标志物，且其丰度与rolD基因表达强相关——HIGH系rolD表达量分别是LOW系和MID系的5倍和8倍，而各系rol基因拷贝数均约为2，提示T-DNA插入位点而非拷贝数对转基因表达和代谢积累影响更大。此外，Tr型G结构域蛋白和乙醇脱氢酶也被列为高产系的潜在标志物。该研究首次在积雪草毛状根中建立OCD作为可追踪的生物标志物，为通过蛋白质组学指导植物生物反应器品系筛选与优化提供了新策略。
创新点
首次在积雪草毛状根中鉴定出鸟氨酸环脱氨酶（OCD）作为积雪草苷生产能力的可靠生物标志物；发现rolD基因表达与OCD蛋白丰度强相关，且rolD基因表达在HIGH系中显著高于MID和LOW系；提出T-DNA插入位点（而非拷贝数）对毛状根基因表达和次生代谢物积累影响更大。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Centella asiatica hairy root (HIGH line) | centelloside biosynthesis | rolD | Ornithine cyclodeaminase (OCD) | 催化 | rolD基因编码OCD，催化鸟氨酸转化为脯氨酸，被鉴定为积雪草苷生产能力相关的生物标志物。 |
| Centella asiatica hairy root | centelloside biosynthesis | β-AS (β-amyrin synthase) | β-amyrin synthase | 催化 | 作为qPCR内参基因，参与α/β-amyrin骨架合成，是积雪草苷生物合成途径的关键酶。 |
| Centella asiatica hairy root | hairy root induction / plant hormone signaling | rolA, rolB, rolC | RolA, RolB, RolC | 调控 | 农杆菌Ri质粒T-DNA上的rol基因，参与毛状根形态建成和次生代谢调控。 |
| Centella asiatica hairy root HIGH line | protein synthesis / translation | — | Tr-type G domain-containing protein | 调控 | 属于EF-G/F-2亚家族翻译延长因子，与HIGH系优良的生长和蛋白质合成能力相关。 |
| Centella asiatica hairy root HIGH line | fermentation / hypoxia response | — | Alcohol dehydrogenase | 催化 | 催化乙醇与乙醛互变，与根系在低氧条件下生长改善有关。 |
| Centella asiatica adventitious root | photosynthesis | — | Photosynthesis-related proteins | 能量供给 | 不定根中光合作用相关蛋白丰度显著高于毛状根，与形态差异相关。 |
关键发现
- 共鉴定213个可定量蛋白，OPLS-DA模型R2X(cum)=0.786，Q2(cum)=0.861，主成分1和2分别解释48.7%和27.9%的变异
- HIGH、MID、LOW根系积雪草苷产量分别为4.96±0.75、2.48±0.07、0.54±0.067 mg/g干重
- HIGH与LOW比较发现44个差异蛋白，其中38个可构建STRING网络
- HIGH组中Tr型G结构域蛋白和乙醇脱氢酶为潜在生物标志物
- 鸟氨酸环脱氨酶（OCD）是Rhizobium介导转化的生物标志物
- qPCR显示各rol基因拷贝数均约为2，但HIGH系rolD基因表达量是LOW系的5倍、MID系的8倍。
研究结论
鸟氨酸环脱氨酶可作为积雪草毛状根积雪草苷生产能力的可追踪生物标志物，rolD基因表达与OCD蛋白丰度密切相关；T-DNA插入位点比拷贝数对转基因表达水平影响更大。该研究为通过蛋白质组学指导优化植物生物反应器提供了新策略。