Changing biosynthesis of terpenoid percursors in rice through synthetic biology
- 作者
- Orio Basallo, Lucia Perez, Abel Lucido, Albert Sorribas, Alberto Marin-Saguino, Ester Vilaprinyo, Laura Perez-Fons, Alfonso Albacete, Cristina Martinez-Andujar, Paul D. Fraser, Paul Christou, Teresa Capell, Rui Alves
- 单位
- Systems Biology Group, Department Ciencies Mediques Basiques, Faculty of Medicine, Universitat de Lleida, Lleida, Spain; Institut de Recerca Biomedica de Lleida (IRBLleida), Lleida, Spain; Applied Plant Biotechnology Group, Department de Produccio Vegetal i Ciencia Florestal, Escola Tecnica Superior d'Enginyeria Agroalimentaria i Forestal i de Veterinaria (ETSEAFiV), Universitat de Lleida, Lleida, Spain; Agrotecnio Centres de Recerca de Catalunya (CERCA) Center, Lleida, Spain; School of Biological Sciences, Royal Holloway University of London, Egham Hill, United Kingdom; Department of Plant Nutrition, Center of Edaphology and Applied Biology of the Segura (CEBAS), Consejo Superior de Investigaciones Cientificas (CSIC), Universidad de Murcia, Murcia, Spain; Department of Plant Production and Agrotechnology, Institute for Agri- Food Research and Development of Murcia, Murcia, Spain; ICREA, Catalan Institute for Research and Advanced Studies, Barcelona, Spain
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2023）
- DOI
- 10.3389/fpls.2023.1133299
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物（水稻）中萜类前体IPP/DMAPP的合成受到内源途径严格调控，且这些前体同时是发育激素的底物，简单改造易产生严重发育缺陷。如何在不干扰正常发育的前提下提高IPP/DMAPP供给通量、实现高价值萜类合成是核心挑战。
研究策略
通过合成生物学在水稻中引入稳定遗传的质体异源MVA途径，创建三类表达不同组合外源酶（I型仅HMGR，II型含HMGS/HMGR/MVK，III型含完整五步酶）的突变系；系统采集表型、基因表达、类异戊二烯含量和激素数据；构建数据驱动的、品系特异的多水平ODE数学模型（饱和动力学形式），整合分子与宏观数据，进行稳定性和灵敏度分析，预测代谢通量和植物表型。
核心内容
该研究通过合成生物学手段，在水稻质体中引入异源甲羟戊酸（MVA）途径，旨在绕开内源IPP/DMAPP合成的严格调控，提升萜类前体供给通量而不干扰正常发育。作者构建了三类稳定遗传的突变系：I型仅表达HMGR、II型含三步酶、III型含完整五步酶，共获得34个独立品系。系统采集表型、基因表达、激素及类异戊二烯含量数据后，构建了品系特异的多水平饱和动力学ODE模型，整合分子与宏观数据进行稳定性和灵敏度分析。模型显示，野生型稳态浓度为MECPP 0.657 mM、胞质IPP 0.109 mM等，且728个灵敏度参数中仅51个绝对值大于1，说明模型稳健。突变系初始无法稳定，需针对r11、r14、r15对应的Vmax参数进行转录后调控模拟才能恢复稳态。模型预测总IPP/DMAPP通量顺序为III型>II型>I型，且III型内源MVA/MEP途径通量最接近野生型，发育缺陷最小；逐步回归建立的表型预测模型对叶长、叶宽、叶绿素等解释力达40%–77%。该工作证明质体异源MVA途径可有效提高前体通量，完整途径效果最佳且对内源途径扰动最小，多水平数学模型能半定量预测通量和表型，但具有突变类型特异性，为萜类合成生物学提供了迭代建模与实验验证的工具框架。
创新点
['在水稻中创建可遗传的质体异源MVA途径，与内源MVA/MEP途径共存，绕过内源调控。', '使用多水平数学模型（基于饱和动力学）整合基因表达、激素、代谢物和宏观表型数据，实现通量预测。', '发现突变系恢复稳态需要针对少数酶（r11、r14、r15对应Vmax）的转录后调控模拟。', '模型预测完整外源途径（III型）的总IPP/DMAPP通量最高，且内源途径通量最接近野生型，发育缺陷最小。', '通过逐步回归建立了分子数据预测植物高度、叶长、叶宽、叶绿素等表型的类型特异模型，解释力达40%-77%。']
研究对象（19）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | MVA途径（内源胞质） | OsHMGS | 羟甲基戊二酰辅酶A合酶 | 催化 | 内源MVA途径第一个限速酶 |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | MVA途径（内源胞质） | OsHMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 催化HMG-CoA转化为甲羟戊酸，MVA途径关键调控点 |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | MVA途径（内源胞质） | OsMK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | 催化甲羟戊酸磷酸化 |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | MVA途径（内源胞质） | OsPMK | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | 催化5-磷酸甲羟戊酸磷酸化 |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | MVA途径（内源胞质） | OsMVD | 二磷酸甲羟戊酸脱羧酶 | 催化 | 催化焦磷酸甲羟戊酸脱羧生成IPP |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | MVA途径/MEP途径（IPP/DMAPP互变） | OsIPPI | 异戊烯基二磷酸Δ-异构酶 | 催化 | 催化IPP与DMAPP可逆互变 |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | MEP途径（质体） | OsDXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | MEP途径第一个限速酶 |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | MEP途径（质体） | OsDXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | DXP转化为MEP |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | MEP途径（质体） | OsMCT | 2-C-甲基-D-赤藓醇4-磷酸胞苷酰转移酶 | 催化 | MEP转化为CDP-ME |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | MEP途径（质体） | OsCMK | 4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶 | 催化 | CDP-ME磷酸化为CDP-MEP |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | MEP途径（质体） | OsMDS | 2-C-甲基-D-赤藓醇2,4-环二磷酸合酶 | 催化 | CDP-MEP转化为MECPP |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | MEP途径（质体） | OsHDS | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸合酶 | 催化 | MECPP转化为HMBPP |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | MEP途径（质体） | OsHDR | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶 | 催化 | HMBPP转化为IPP和DMAPP |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | 异源MVA途径（质体） | BjHMGS | 羟甲基戊二酰辅酶A合酶 | 催化 | 来自Brassica juncea，靶向质体 |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | 异源MVA途径（质体） | tHMGR | 截短的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 截短形式，靶向质体 |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | 异源MVA途径（质体） | CrMK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | 来自Catharanthus roseus，靶向质体 |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | 异源MVA途径（质体） | CrPMK | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | 来自Catharanthus roseus，靶向质体 |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | 异源MVA途径（质体） | CrMVD | 二磷酸甲羟戊酸脱羧酶 | 催化 | 来自Catharanthus roseus，靶向质体 |
| 水稻 (Oryza sativa cv. EY1105) | 质体糖酵解/脂肪酸生物合成（调控） | OsWR1 | WR1转录因子 | 调控 | 诱导质体糖酵解和脂肪酸合成相关基因表达 |
关键发现
- ['构建了12个I型、10个II型、12个III型水稻突变系，均稳定整合异源MVA途径基因。', '野生型模型稳态浓度：MECPP
- 657 mM，DMAPPcyt
- 136 mM，IPPcyt
- 109 mM，HMG-CoAcyt
- 983 mM，DXP
- 0133 mM等（表1）。', '野生型模型共有728个参数灵敏度，其中仅51个绝对值大于1，表明模型鲁棒。', '突变系模型初始无法稳定，需调整Vmax（r11、r14、r15相关）参数后达到稳态；II型、III型所需参数变化幅度大于I型。', '稳态灵敏度分析：I型突变体约3%的个体灵敏度绝对值>1，II型为1.8%，III型为1.4%；每个品系计算灵敏度超过900个。', '激素与代谢物相关性模型保留了53个预期相关中的48个（I型7个中4个，II型19个中19个，III型27个中24个）。', '模型预测总IPP/DMAPP产量顺序为III型>II型>I型；III型内源MVA/MEP途径通量最接近野生型（图3）。', '表型多元回归模型：叶长和叶绿素可预测所有类型（I型叶长R²=0.69，叶绿素R²=0.74；II型叶宽R²=0.75；III型叶长R²=0.43）。', '表型预测中位调整R²在I、II型约60%，III型降至约35%（表S11）。']
研究结论
通过在水稻质体引入异源MVA途径可有效提高IPP/DMAPP总通量，其中完整外源途径（III型）效果最好且对内源途径影响最小，有利于减少发育缺陷。多水平数学模型能半定量预测代谢通量和宏观表型，但模型具有突变类型特异性，预测新类型需重新建模。迭代建模-实验策略可识别途径中对改造敏感的靶点，为未来萜类合成生物学提供工具。