Metabolic engineering of the moss Physcomitrella patens to produce the sesquiterpenoids patchoulo and α/β-santalene
- 作者
- Xin Zhan, Yu-Hua Zhang, Dong-Fang Chen, Henrik Toft Simonsen
- 单位
- Plant Biochemistry Laboratory, Department of Plant and Environmental Sciences, Copenhagen Plant Science Centre, University of Copenhagen; Corporate R&D Division, Firmenich Aromatics (China) Co. Ltd.
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2014）
- DOI
- 10.3389/fpls.2014.00636
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
在苔藓植物小立碗藓中建立异源生产倍半萜香料化合物（广藿香醇和α/β-檀香烯）的代谢工程体系，并评估不同策略对产量的影响。
研究策略
通过非同源转化将广藿香醇合酶(PTS)和檀香烯合酶(STS)导入小立碗藓，并结合截短HMGR（来自酵母或小立碗藓）过表达、质体靶向表达以及敲除内源CPS/KS基因等策略，比较各策略对目标倍半萜产量的影响。
核心内容
该研究在苔藓植物小立碗藓中建立了异源生产倍半萜香料化合物的代谢工程体系，首次实现了广藿香醇和α/β-檀香烯在该植物中的生物合成。研究者通过非同源转化导入广藿香醇合酶（PTS）或檀香烯合酶（STS），并系统比较了细胞质表达、质体靶向表达、过表达截短HMGR以及敲除内源CPS/KS基因等策略对产量的影响。结果显示，在细胞质表达PTS的PTS35-S39株系中广藿香醇产量最高，达1.34 mg/g干重，较背景株系提高约2倍；质体靶向STS的株系产生α-檀香烯0.039 mg/g干重和β-檀香烯0.035 mg/g干重；而敲除CPS/KS反而使广藿香醇产量降低40%，说明该敲除策略不适用于此体系。此外，质体靶向表达的合酶还能利用GPP底物生成多种单萜，表明这两种倍半萜合酶在植物体内具有底物混杂性。该研究证实小立碗藓可作为倍半萜香料化合物的新型生产宿主，但当前最高1.34 mg/g干重的产量距商业化仍有差距，需结合质体FPS共表达与培养条件优化进一步提升。
创新点
首次在苔藓植物中实现倍半萜的异源生产；首次证明PTS在植物体内可利用GPP生成单萜；系统比较了细胞质表达、质体靶向、HMGR过表达和CPS/KS敲除对产量的影响。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Physcomitrella patens | MVA途径（倍半萜生物合成） | PTS | 广藿香醇合酶（patchoulol synthase） | 催化 | 来自广藿香（Pogostemon cablin），在细胞质中表达，将FPP环化为广藿香醇等倍半萜。 |
| Physcomitrella patens | MVA途径（倍半萜生物合成） | STS | α/β-檀香烯合酶（santalene synthase） | 催化 | 来自檀香（Santalum album），在细胞质中表达，将FPP转化为α-檀香烯和β-檀香烯。 |
| Physcomitrella patens | MVA途径 | SctHMGR | 截短的酿酒酵母3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 调控 | N端截短去除调控结构域，在35S启动子控制下过表达，增强MVA通量，使广藿香醇产量提高1.7-2.2倍。 |
| Physcomitrella patens | MVA途径 | PpHMGR | 截短的小立碗藓3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 调控 | 在小立碗藓中鉴定并截短，用于与STS共表达，也增强了MVA通量。 |
| Physcomitrella patens | 二萜生物合成（赤霉素前体） | PpCPS/KS | 柯巴基焦磷酸/贝壳杉烯合酶 | 调控 | 内源唯一萜烯合酶，通过同源重组敲除以尝试重定向碳流，但实际使广藿香醇产量降低约40%。 |
| Physcomitrella patens | 质体MEP途径（倍半萜生物合成） | tPTS | 带RuBisCO小亚基转运肽的广藿香醇合酶 | 区室化 | 通过添加拟南芥RuBisCO小亚基转运肽靶向质体，产量仅0.02 mg/g干重，并产生单萜副产物（如β-月桂烯）。 |
| Physcomitrella patens | 质体MEP途径（倍半萜生物合成） | tpSTS | 带RuBisCO小亚基转运肽的檀香烯合酶 | 区室化 | 质体靶向显著提高了α/β-檀香烯产量（0.039/0.035 mg/g干重），并产生单萜及额外倍半萜。 |
关键发现
- 在PTS35-S39株系获得广藿香醇最高产量1.34 mg/g干重（比背景株系WT-PTS35高约2倍）
- 质体靶向STS的WT-tpSTS1株系产生α-檀香烯0.039 mg/g干重和β-檀香烯0.035 mg/g干重
- 在细胞质STS共表达HMGR的株系中，α-檀香烯最高为0.022 mg/g干重、β-檀香烯为0.020 mg/g干重
- 敲除CPS/KS使广藿香醇产量降低40%至0.38 mg/g干重
- 质体靶向PTS仅产生0.02 mg/g干重广藿香醇
- 质体靶向PTS/STS株系还产生多种单萜（如β-月桂烯、柠檬烯），表明这两种合酶可利用GPP。
研究结论
小立碗藓可作为倍半萜香料化合物生产的潜在新型宿主，但当前产量（最高1.34 mg/g干重）仍不足以商业化，需进一步通过基因工程（如共表达质体FPS）和培养优化来提高产量。