Plant Metabolic Engineering Strategies for the Production of Pharmaceutical Terpenoids
- 作者
- Xu Lu, Kexuan Tang, Ping Li
- 单位
- State Key Laboratory of Natural Medicines, China Pharmaceutical University, Nanjing, China; Plant Biotechnology Research Center, School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, China
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2016）
- DOI
- 10.3389/fpls.2016.01647
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
药用萜类在天然植物中含量低、生长慢且受环境影响，部分植物濒危，化学合成成本高、微生物合成困难，亟需通过植物代谢工程提高产量。
研究策略
系统总结2009-2016年间植物代谢工程提高药用萜类产量的策略，包括生物/非生物诱导子处理、同源/异源过表达生物合成基因、抑制竞争代谢途径、调控转录因子、调节内源植物激素及初级代谢等。
核心内容
该论文系统综述了2009至2016年间利用植物代谢工程提高药用萜类产量的多种策略，包括生物与非生物诱导子处理、同源或异源过表达生物合成基因、抑制竞争代谢途径、调控转录因子、调节植物内源激素及初级代谢等。研究对各类策略的效果进行了量化比较，发现组合策略（如诱导子结合基因工程、多基因共表达、转录因子全局调控）具有更大潜力。关键结果包括：MeJA与冠菌素处理使榛细胞总紫杉烷含量分别提高3倍和27倍；过表达ADS、CYP71AV1和CPR组合使青蒿素含量达15.1 mg/g DW，提高2.4倍；RNAi沉默SQS使青蒿素最高达31.4 mg/g DW，较对照提高3.14倍；过表达SmHMRG和SmGGDS使丹参酮达约2.7 mg/g DW，为对照的4.7倍。这些结果说明，植物代谢工程能显著提升药用萜类产量，未来需进一步解析关键酶与调控网络，以实现高价值化合物的可持续生产。
创新点
将多种代谢工程策略进行系统归类，强调组合策略（如诱导子与基因工程结合、多基因共表达、转录因子全局调控）对提高药用萜类产量的潜力。
研究对象（40）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Ginkgo biloba | 银杏内酯/白果内酯生物合成 | — | — | 调控 | 金黄色葡萄球菌诱导子处理提高白果内酯、银杏内酯A/B积累 |
| Andrographis paniculata | 穿心莲内酯生物合成 | — | — | 调控 | 不定根培养比悬浮细胞提高3.5倍 |
| Peritassa campestris | 美登素生物合成 | — | — | 调控 | 不定根培养中最高含量972 μg/g DW，为温室苗根的5.55倍 |
| Taxus chinensis | 紫杉醇生物合成 | — | — | 调控 | 与内生真菌Fusarium mairei共培养15天产生25.6 mg/L紫杉醇 |
| Corylus avellana | 紫杉烷生物合成 | — | — | 调控 | MeJA和冠菌素处理使总紫杉烷含量分别提高3倍和27倍，但抑制细胞生长 |
| Taxus cuspidata | 紫杉醇生物合成 | — | — | 调控 | MeJA处理后紫杉醇产量达2.5 mg/g DW |
| Panax ginseng | 人参皂苷生物合成 | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 钒酸盐处理上调SQS、SE、DS基因表达 |
| Panax ginseng | 人参皂苷生物合成 | PgSQS1 | 角鲨烯合酶 | 催化 | 过表达提高植物甾醇2倍、人参皂苷1.6-3倍，但生长减慢 |
| Panax ginseng | 人参皂苷生物合成（齐墩果烷型） | CYP716A52v2 | β-香树脂醇-28-氧化酶 | 催化 | 过表达显著提高齐墩果烷型人参皂苷Ro |
| Panax ginseng | MVA途径/人参皂苷生物合成 | PgHMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 过表达使人参皂苷含量提高1.5-2倍 |
| Salvia miltiorrhiza | MVA途径/丹参酮生物合成 | SmHMRG | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 与SmGGDS共表达使丹参酮最高2.7 mg/g DW，为对照4.7倍 |
| Salvia miltiorrhiza | 二萜生物合成/丹参酮 | SmGGDS | 香叶基香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 与SmHMRG共表达提高丹参酮产量 |
| Salvia miltiorrhiza | MEP途径/丹参酮生物合成 | SmDXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 单独过表达也能提高丹参酮产量 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | ADS | 紫穗槐-4,11-二烯合酶 | 催化 | 与CYP71AV1、CPR共过表达使青蒿素达15.1 mg/g DW，提高2.4倍 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | p450氧化酶，参与青蒿素合成 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | CPR | NADPH:细胞色素P450氧化还原酶 | 催化 | 提供电子给P450 |
| Nicotiana tabacum | 单萜生物合成 | VoGES | 香叶醇合酶 | 催化 | 毛状根中游离香叶醇平均13.7 mg/g DW，脱糖后总含量达204 mg/g DW |
| Lavandula latifolia | 单萜生物合成 | LIS | 芳樟醇合酶 | 催化 | 来自Clarkia breweri，过表达使芳樟醇含量提高10倍 |
| Nicotiana attenuata | 倍半萜生物合成 | ZmTPS10 | 萜烯合酶10 | 催化 | 产生(E)-β-法尼烯和(E)-α-佛手柑油烯，后者提高2-25倍 |
| Nicotiana benthamiana | 紫杉醇生物合成（前体） | TbTS | 紫杉二烯合酶 | 催化 | 表达获得紫杉二烯11-27 μg/g DW，MeJA处理后35 μg/g DW |
| Platycodon grandiflorum | MVA途径/桔梗皂苷生物合成 | PgHMGR1 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 毛状根中过表达使植物甾醇提高1.1-1.6倍，桔梗皂苷提高1.5-2.5倍 |
| Nicotiana tabacum | 人参皂苷生物合成（达玛烷型） | PgDS | 达玛烯二醇合酶 | 催化 | 根中达玛烯二醇-Ⅱ达158 μg/g DW，细胞悬浮培养573 μg/g DW |
| Nicotiana tabacum | 人参皂苷生物合成（原人参二醇） | PgCYP716A47 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 与PgDS共表达，原人参二醇在5L生物反应器中达981 μg/g DW |
| Artemisia annua | 甾醇/青蒿素竞争途径 | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | RNAi沉默使青蒿素最高31.4 mg/g DW，为对照3.14倍 |
| Artemisia annua | 倍半萜竞争途径 | CPS | β-石竹烯合酶 | 催化 | 反义抑制使青蒿素提高77%，DHAA提高132% |
| Artemisia annua | 倍半萜竞争途径 | BFS | β-法尼烯合酶 | 催化 | 反义抑制使青蒿素提高77%，DHAA提高54% |
| Artemisia annua | 倍半萜竞争途径 | GAS | 大牻牛儿烯A合酶 | 催化 | 反义抑制使青蒿素提高103%，DHAA提高130% |
| Ipomoea batatas | 类胡萝卜素生物合成 | LCY-ε | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | RNAi沉默使β-胡萝卜素提高21倍，叶黄素降至检测不到 |
| Nicotiana benthamiana | 倍半萜生物合成 | EAS | 5-表-马兜铃烯合酶 | 催化 | RNAi沉默与SQS共同提高(+)-缬草烯产量2.8倍 |
| Nicotiana benthamiana | 甾醇/倍半萜竞争途径 | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | RNAi沉默与EAS共同提高(+)-缬草烯产量2.8倍 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | AaERF1 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 结合ADS和CYP71AV1启动子，过表达提高青蒿素和青蒿酸 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | AaERF2 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 同AaERF1 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | AaORA | AP2/ERF转录因子（毛状体特异） | 调控 | 过表达增加青蒿素和双氢青蒿酸，并提高对灰霉病抗性 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | TAR1 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 参与毛状体发育和青蒿素合成，过表达提高青蒿素，RNAi降低 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | AaWRKY1 | WRKY转录因子 | 调控 | 过表达使CYP71AV1转录提高33倍，青蒿素提高1.8倍 |
| Catharanthus roseus | 环烯醚萜/单萜吲哚生物碱生物合成 | BIS1 | bHLH转录因子 | 调控 | 过表达提高马钱苷酸和番木鳖苷等 |
| Catharanthus roseus | 环烯醚萜/单萜吲哚生物碱生物合成 | BIS2 | bHLH转录因子 | 调控 | 与BIS1互作，稳定过表达提高相关基因转录 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | AabHLH1 | bHLH转录因子 | 调控 | 结合ADS和CYP71AV1启动子E-box，瞬时表达提高ADS、CYP71AV1和HMGR表达 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | AaMYC2 | bHLH转录因子（MYC2） | 调控 | 应答JA，过表达提高青蒿素和DHAA，降低青蒿酸 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | AabZIP1 | bZIP转录因子 | 调控 | 连接ABA信号与青蒿素合成，过表达使青蒿素提高0.7-1.5倍 |
关键发现
- 具体数据包括：金黄色葡萄球菌处理使银杏细胞中白果内酯、银杏内酯A和B分别提高2.6、1.5和2.1倍
- 穿心莲不定根培养使穿心莲内酯含量比悬浮细胞高3.5倍
- 培地萨不定根中萜类含量最高达972 μg/g DW，是温室苗根的5.55倍
- 红豆杉与内生真菌共培养15天产生紫杉醇25.6 mg/L，生产力1.71 mg/L/天，比非共培养高38倍
- MeJA和冠菌素处理使榛细胞生长从11.5 g DCW/L降至4.28和5.69 g DCW/L，总紫杉烷含量分别提高3倍和27倍
- MeJA处理使红豆杉细胞紫杉醇产量达2.5 mg/g DW
- CdCl2处理使穿心莲内酯含量达6.3 mg/g DCW（对照1.5 mg/g）
- 钒酸盐处理使人参皂苷最高达5.6 mg/g DW
- 过表达PgSQS1使植物甾醇提高2倍、人参皂苷提高1.6-3倍
- 过表达SmHMRG和SmGGDS使丹参酮最高约2.7 mg/g DW，是对照（0.475 mg/g DW）的4.7倍
- 过表达ADS、CYP71AV1和CPR使青蒿素含量达15.1 mg/g DW，提高2.4倍
- 烟草毛状根表达VoGES使香叶醇平均13.7 mg/g DW（最大31.3 mg/g DW），脱糖化后总香叶醇达204 mg/g DW
- 过表达LIS使芳樟醇含量提高10倍
- 过表达ZmTPS10使(E)-α-佛手柑油烯含量提高2-25倍
- 过表达TbTS使紫杉二烯含量达11-27 μg/g DW，MeJA处理后提高到35 μg/g DW
- 过表达PgDS使达玛烯二醇-Ⅱ在烟草根中达158 μg/g DW，细胞悬浮培养中达573 μg/g DW
- 共表达PgDS和PgCYP716A47使原人参二醇在烟草叶中达2.3-5.7 μg/g DW，5L生物反应器培养中达981 μg/g DW
- RNAi沉默SQS使青蒿素最高达31.4 mg/g DW，较对照提高3.14倍
- 反义抑制CPS、BFS、GAS和SQS分别使青蒿素提高77%、77%、103%和71%，使双氢青蒿酸提高132%、54%、130%和223%
- RNAi沉默LCY-ε使β-胡萝卜素含量提高21倍，叶黄素降至检测不到
- 沉默EAS和SQS使(+)-缬草烯产量提高2.8倍
- 过表达AaWRKY1使CYP71AV1转录水平提高33倍、青蒿素含量提高1.8倍
- 过表达AabZIP1使青蒿素提高0.7-1.5倍
- 过表达AaAOC使内源茉莉酸水平提高2-4.7倍并增加青蒿素等
- RNAi抑制SINCED1使番茄中番茄红素和β-胡萝卜素积累增加
- 过表达NINV使七种紫杉烷含量分别提高2.1、3.3、2.2、3.7、3.5、1.9和1.8倍
- TXS过表达结合MeJA处理使紫杉烷产量为对照的2.65倍。
研究结论
植物代谢工程策略（诱导子、过表达、抑制竞争途径、转录因子调控、激素调控、初级代谢调控）能够显著提高药用萜类在植物和离体培养体系中的产量，且多种策略组合效果更佳。未来需进一步解析生物合成酶和调控网络，以实现高价值药用萜类的可持续生产。