Gene editing, metabolomics, network pharmacology strategies to explore terpenoid content and anti-TMV activity in NtSPS1 knockout Nicotiana tabacum
- 作者
- Jia-Meng Dai, Jian-Duo Zhang, Xin Liu, Ling-Fang Zhang, Jin Wang, Yong Xu, Guang-Yu Yang, Jing Li, Ming-Li Chen, Qiu-Fen Hu
- 杂志
- Scientific Reports（2025）
- DOI
- 10.1038/s41598-025-98745-y
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
NtSPS1基因敲除对烟草红花大金元（HD）品种萜类化合物含量及抗烟草花叶病毒（TMV）活性的影响
研究策略
利用CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除NtSPS1基因，结合广泛靶向代谢组学、网络药理学和分子对接方法系统分析萜类化合物变化及抗TMV活性
核心内容
该研究利用CRISPR/Cas9技术敲除红花大金元烟草中的NtSPS1基因，并整合广泛靶向代谢组学、网络药理学和分子对接方法，系统评估了萜类代谢谱变化及其抗烟草花叶病毒（TMV）活性。代谢组学共鉴定出48种萜类化合物，其中6种显著上调、5种下调；solanesol含量降低约4倍，而化合物1和8分别上调18.2和16.7倍（log2FC）。网络药理学构建的46个萜类靶点网络包含150个节点和509条边，与TMV存在115个共同靶点，分子对接显示化合物16、18、23、27和36与TMV解旋酶结合良好。抗病毒活性测定表明，化合物36在20μM浓度下抑制率达36.7%，IC50为32.1μM，优于阳性对照宁南霉素（33.2%，IC50=36.1μM）。这些结果表明NtSPS1敲除在抑制solanesol合成的同时促使其他萜类累积，化合物36展现出作为新型抗TMV抑制剂的潜力，为烟草抗病育种和抗病毒药物开发提供了新策略。
创新点
首次对NtSPS1敲除红花大金元烟草进行萜类代谢组和抗TMV活性的系统研究，发现化合物36具有潜在抗TMV活性，为寻找新型抗TMV抑制剂提供新思路
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nicotiana tabacum (红花大金元, HD) | 萜类生物合成途径（solanesol合成） | NtSPS1 | solanesyl diphosphate synthase | 催化 | NtSPS1敲除导致solanesol含量降低4倍，并引起多种萜类化合物含量变化 |
| Nicotiana tabacum (红花大金元, HD) | 基因编辑 | SpCas9 | Cas9 | 催化 | CRISPR/Cas9系统用于NtSPS1基因敲除，获得的突变体为2个碱基缺失 |
| Nicotiana tabacum (红花大金元, HD) | TMV感染与抗病毒机制 | — | TMV解旋酶 (RSK, PDB 2OM3) | 催化 | 分子对接靶标，化合物16、18、23、27、36与其关键残基形成氢键结合 |
关键发现
- 共鉴定48种萜类化合物，其中6种上调、5种下调
- solanesol含量显著下降，降低4倍
- 化合物1和8显著上调，log2FC分别为18.2和16.7
- 网络药理学分析显示46个萜类靶点网络包含150个节点和509条边，与TMV有115个共同靶点
- 化合物16、18、23、27、36表现出与TMV解旋酶的良好结合亲和力
- 抗TMV活性测定显示化合物36在20μM浓度下抑制率为36.7%，IC50=32.1μM，优于阳性对照宁南霉素（33.2%，IC50=36.1μM）
- 主成分分析中PC1贡献43.67%，PC2为12.10%，PC3为10.70%
研究结论
NtSPS1敲除显著改变烟草萜类化合物谱，尤其是抑制solanesol合成，同时导致其他萜类累积；结合网络药理学和分子对接发现化合物36具有潜在抗TMV活性，为抗TMV药物研发和烟草抗病育种提供新策略