Hairy roots: An untapped potential for production of plant products

作者: Kevin J. Morey, Christie A. M. Peebles
单位: Department of Chemical and Biological Engineering, Colorado State University, Fort Collins, CO, United States
杂志: Frontiers in Plant Science（2022）
DOI: 10.3389/fpls.2022.937095
所属领域: 植物生物技术/代谢工程
关键词: Catharanthus roseusbioreactorhairy rootmetabolic engineeringterpenoid indole alkaloid
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解决的核心问题

植物天然产物结构复杂、含量低，化学合成成本高，微生物异源表达困难，导致商业供应不足；需要开发稳定、可规模化且能高效生产植物次生代谢物的生产平台。

研究策略

综述毛状根培养技术在植物合成生物学、根际互作、植物修复和次生代谢产物生产中的应用，并以长春花毛状根生产萜类吲哚生物碱（TIA）为例，分析途径解析与工程改造的研究进展。

研究路线图

100%

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核心内容

该综述系统评估了毛状根培养技术作为植物天然产物生产平台的潜力。针对植物次生代谢物结构复杂、化学合成成本高且微生物异源表达困难的问题，作者总结了毛状根在遗传与生化稳定性、无激素快速生长及与天然根相当产量等方面的优势，并梳理了CRISPR、基因堆叠和VIGS等工具在该体系中的应用进展。以长春花萜类吲哚生物碱（TIA）途径为典型案例，展示了多组学与功能基因组学如何推动途径解析与工程改造，包括ORCA3、STR、G10H等关键基因以及ZCT转录因子的调控作用。关键数据表明，全球25%处方药源自植物化合物，市场价值超300亿美元，而长春花中长春碱提取率仅约0.00025%干重；工程改造后的长春花毛状根可产约1500 μg/gdw长春质碱和6000 μg/gdw阿司匹多sperma类生物碱，黑胡萝卜毛状根经乙烯利处理后花青素含量最高提升82%，黄芩毛状根黄酮含量经合成生物学方法提高322%。此外，毛状根在植物修复中也表现突出，如辣根毛状根7天内去除75%砷，白菜型油菜毛状根对2,4-二氯苯酚去除率达97–98%。这些结果说明毛状根培养正逐步成为复杂植物天然产物稳定、可规模化生产及环境修复的可行平台，其商业化应用随着生物反应器技术进步已渐趋成熟。

创新点

系统总结了毛状根作为生产平台的优势（遗传与生化稳定性、生长快、无激素培养基、产量与天然根相当），综述了CRISPR、基因堆叠、VIGS等工具在毛状根中的应用，并以TIA途径为例展示了多组学与功能基因组学推动的途径发现和工程化进展。

研究对象（18）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Catharanthus roseus hairy root	Terpenoid indole alkaloid (TIA) biosynthesis	ORCA3	—	调控	AP2/ERF转录因子，正调控TIA途径
Catharanthus roseus hairy root	TIA biosynthesis	STR	strictosidine synthase	催化	催化色胺和裂环马钱子苷缩合形成胡豆苷
Catharanthus roseus hairy root	TIA biosynthesis	TDC	tryptophan decarboxylase	催化	催化色氨酸脱羧生成色胺
Catharanthus roseus hairy root	TIA biosynthesis (terpenoid branch)	G10H	geraniol 10-hydroxylase	催化	催化香叶醇10位羟化
Catharanthus roseus hairy root	Vindoline biosynthesis	T16H	tabersonine 16-hydroxylase	催化	催化他波宁16位羟化
Catharanthus roseus hairy root	Vindoline biosynthesis	DAT	deacetylvindoline 4-O-acetyltransferase	催化	催化脱乙酰文多灵乙酰化生成文多灵
Catharanthus roseus hairy root	TIA biosynthesis	ZCT1/ZCT2/ZCT3	Cys2/His2-type zinc finger protein	调控	负调控TIA生物合成基因
Catharanthus roseus hairy root	TIA biosynthesis	CrMYC2	bHLH transcription factor	调控	正调控TIA途径，受GBF蛋白抑制
Catharanthus roseus hairy root	TIA biosynthesis (iridoid pathway)	BIS1/BIS2/BIS3	bHLH transcription factor	调控	调控萜烯途径基因表达
Solanum lycopersicum hairy root	Root-specific gene expression	various promoters	—	调控	用于启动子细胞类型和组织特异性表征
Glycine max hairy root	Abiotic stress tolerance	GmNAC15	—	调控	过表达增强耐盐性
Armoracia rusticana hairy root	Phytoremediation	—	peroxidase	催化	参与对乙酰氨基酚及砷的降解/去除
Atropa belladonna hairy root	Curcumin biosynthesis	DCS, CURS3, CaUGT2	diketide-CoA synthase, curcumin synthase, glucosyltransferase	催化	异源表达生产姜黄素及其糖苷，产量提高约2倍
Salvia miltiorrhiza hairy root	Tanshinone biosynthesis	SmMYB9b, SmMYB98, SmbHLH10, SmbHLH148	—	调控	过表达转录因子提高丹参酮产量
Scutellaria baicalensis hairy root	Flavonoid biosynthesis	PAP1	—	调控	异源表达玉米Lc或拟南芥PAP1转录因子，黄酮含量提高322%
Catharanthus roseus hairy root	TIA biosynthesis	SGD	strictosidine β-D-glucosidase	催化	水解胡豆苷，TIA途径关键激活步骤
Catharanthus roseus hairy root	Tabersonine metabolism	TEX1/TEX2	tabersonine 6,7-epoxidase	催化	催化他波宁C6,C7环氧化生成洛钦素
Medicago truncatula hairy root	Mycorrhizal symbiosis	RAM1	GRAS-domain transcription factor	调控	调控菌根共生信号及RAM2表达

关键发现

全球25%处方药来源于植物化合物，市场价值超300亿美元
66%抗菌药物和52%抗癌药物源自植物。长春花中长春碱提取率仅约0.00025%干重
不同品种中文多灵含量为241–2082 μg/gdw，长春质碱为273–2903 μg/gdw。工程酵母产胡豆苷（strictosidine）达530 μg/L。长春花毛状根工程改造后可产约1500 μg/gdw长春质碱和约6000 μg/gdw阿司匹多sperma类生物碱。黑胡萝卜毛状根经乙烯利处理后花青素含量最高增加82%，羟基肉桂酸增加>20%。黄芩毛状根中黄酮含量经合成生物学方法提高322%。内生菌处理使蛇根碱含量增加211.7–337.6%，阿吗碱增加123.4–203.8%。壳寡糖处理使文多灵和长春质碱分别增加60.68%和141.54%。ZCT3敲低细胞系中文多灵为0.038±0.001 mg/g干重，长春质碱为0.165±0.008 mg/g干重，长春碱为0.0036±0.0003 mg/g干重。辣根毛状根7天内去除75%砷（5–60 μg/L）。B. juncea毛状根铀吸收量为C. amaranticolor的2–4倍。白菜型油菜毛状根在5–10 mM H2O2存在下对100–1000 mg/L的2,4-二氯苯酚去除率达97–98%。萝卜毛状根在6小时内去除91%硫丹。

研究结论

毛状根培养是一种基因和生化稳定、生长快速、可规模化培养的植物产物生产平台，随着代谢工程、合成生物学和生物反应器技术的进步，其商业化应用即将成为现实。以长春花TIA途径为案例，途径解析与工程改造的进展展示了毛状根在复杂植物天然产物生产中的巨大潜力。