Cytokinin and Ethylene Control Indole Alkaloid Production at the Level of the MEP/Terpenoid Pathway in Catharanthus roseus Suspension Cells

作者: Nicolas Papon, Jennifer Bremer, Amérin Vansiri, Françoise Andreu, Marc Rideau, Joël Crèche
DOI: 10.1055/s-2005-864163
所属领域: 代谢工程
关键词: MEP途径乙烯细胞分裂素萜类吲哚生物碱长春花
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解决的核心问题

阐明细胞分裂素和乙烯调控长春花悬浮细胞萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成中MEP/萜类途径基因表达的机制

研究策略

以不产TIA的C20D细胞系为材料，在去除2,4-D的培养基中，分别或联合添加反式玉米素（细胞分裂素）和乙烯利（乙烯供体），通过Northern blot分析TIA途径相关基因（g10h, dxs, dxr, mcs, hmgr, tdc, str）的表达，并定量阿吗碱积累，揭示激素调控的关键步骤。

研究路线图

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核心内容

以不产萜类吲哚生物碱（TIA）的长春花C20D悬浮细胞为材料，该研究在去除2,4-D的培养基中分别或联合添加5 μM反式玉米素（细胞分裂素）和0.1 mM乙烯利（乙烯供体），通过Northern blot分析TIA途径关键基因表达并定量阿吗碱积累。结果显示，两种激素处理72小时后阿吗碱积累显著增加；二者均可在24小时内增强香叶醇10-羟化酶基因g10h表达，联合处理还能诱导MEP途径三个基因dxs、dxr和mcs表达，而hmgr、tdc和str表达未受明显影响。值得注意的是，含2,4-D的培养基中g10h不表达，完全习惯化的C20A细胞系中g10h在任何条件下均不表达。这些结果表明细胞分裂素和乙烯通过不同信号通路汇聚于MEP/萜类分支，共同上调g10h及MEP途径基因表达以增强TIA积累，提示激素信号通路元件可作为代谢工程改造长春花、提高药用生物碱产量的潜在靶点。

创新点

首次发现细胞分裂素和乙烯单独或协同作用可上调香叶醇10-羟化酶基因（g10h）表达，二者联用还能诱导MEP途径三个基因（dxs, dxr, mcs）表达，表明激素信号通路可作为代谢工程改造MEP/萜类途径以提高TIA产量的工具。

研究对象（7）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
长春花（Catharanthus roseus）C20D悬浮细胞	萜类吲哚生物碱-萜类分支	g10h	香叶醇10-羟化酶	催化	催化香叶醇/橙花醇10位羟基化，细胞色素P450酶，TIA途径关键调控点
长春花（Catharanthus roseus）C20D悬浮细胞	MEP途径	dxs	1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶	催化	MEP途径第一个酶，催化丙酮酸与甘油醛-3-磷酸缩合为DXP
长春花（Catharanthus roseus）C20D悬浮细胞	MEP途径	dxr	DXP还原异构酶	催化	MEP途径第二个酶，催化DXP转化为MEP
长春花（Catharanthus roseus）C20D悬浮细胞	MEP途径	mcs	2C-甲基-D-赤藓醇-2,4-环二磷酸合酶	催化	MEP途径酶，催化MEP转化为MECDP
长春花（Catharanthus roseus）C20D悬浮细胞	甲羟戊酸途径	hmgr	3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶	催化	甲羟戊酸途径限速酶
长春花（Catharanthus roseus）C20D悬浮细胞	吲哚生物碱-吲哚分支	tdc	色氨酸脱羧酶	催化	催化色氨酸脱羧形成色胺
长春花（Catharanthus roseus）C20D悬浮细胞	萜类吲哚生物碱	str	异胡豆苷合酶	催化	催化色胺与裂环马钱苷缩合形成异胡豆苷

关键发现

在5 μM反式玉米素和/或0.1 mM乙烯利处理后72小时，C20D细胞中阿吗碱积累显著增加
两种激素均可在处理24小时内增强g10h基因表达，联合处理还增强了MEP途径基因dxs、dxr和mcs的表达
在含2,4-D的培养基中g10h不表达，C20A细胞系（完全习惯化）中g10h在任何条件下均不表达。

研究结论

细胞分裂素和乙烯通过不同的信号通路汇聚于MEP/萜类途径，共同调控g10h及MEP途径基因表达，从而增强TIA积累；这些信号通路元件可以用于代谢工程改造长春花，提高药用萜类吲哚生物碱产量。