Direct shoot regeneration and gene expression profiling for optimized picriside-I biosynthesis in Picrorhiza Kurroa
- 作者
- Sonia Kumari Shishodia, Arjun Chauhan, Hemant Sood, Gaurav Mudgal, Gholamreza Abdi
- 杂志
- Scientific Reports（2025）
- DOI
- 10.1038/s41598-025-16636-8
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
濒危药用植物胡黄连（Picrorhiza kurroa）体外再生效率低，且传统愈伤组织介导的间接再生途径导致次生代谢物胡黄连苦苷I（Picroside-I）产量下降；缺乏将再生方式、代谢物含量与关键基因表达关联起来的系统研究。
研究策略
通过筛选不同生长调节剂（TDZ、KIN、NAA）组合，建立叶片外植体直接芽再生（绕过愈伤组织阶段）方案；利用HPLC测定Picroside-I含量，并用qRT-PCR分析MVA、MEP、莽草酸/苯丙烷及环烯醚萜通路关键基因的表达，比较直接与间接再生的代谢和分子差异。
核心内容
针对濒危药用植物胡黄连体外再生效率低及愈伤组织间接再生导致胡黄连苦苷I含量下降的问题，本研究建立了一种绕过愈伤组织阶段的叶片外植体直接芽再生方案。通过在MS培养基中筛选生长调节剂组合，发现0.5 mg/L TDZ与1.5 mg/L KIN协同作用效果最佳，直接再生效率达83.10%，每外植体平均产生7.20个芽，再生周期从间接再生的80–85天缩短至45–50天。HPLC测定显示，直接再生芽中Picroside-I含量为9.55 μg/mg，较间接再生芽的3.41 μg/mg提升约2.8倍，也高于母株的6.30 μg/mg。qRT-PCR分析表明，直接再生芽中MVA、MEP、莽草酸/苯丙烷及环烯醚萜通路的关键基因（如HMGR、DXPS、GS等）表达水平显著高于间接再生芽，其中香叶醇合酶表达与产物含量呈正相关。该结果表明直接芽再生通过保持代谢通路基因的高表达和代谢完整性，有效提升了目标次生代谢物产量，为胡黄连种质保存、遗传改良及可持续生产提供了高效技术平台。
创新点
首次利用TDZ与KIN协同作用实现胡黄连叶片外植体高频直接芽再生，再生率达83%，再生周期缩短至45–50天；直接再生芽中Picroside-I含量达9.55 μg/mg（间接再生仅3.41 μg/mg）；并揭示直接再生显著上调HMGR、DXPS、GS等关键生物合成基因表达，保持代谢完整性。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Picrorhiza kurroa 叶片外植体（体外培养） | MVA（甲羟戊酸）通路 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 直接再生芽中表达显著上调，促进甲羟戊酸通路代谢流向单萜前体合成 |
| Picrorhiza kurroa 叶片外植体（体外培养） | MVA（甲羟戊酸）通路 | PMK | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | 直接再生芽中表达显著上调，参与甲羟戊酸通路 |
| Picrorhiza kurroa 叶片外植体（体外培养） | MEP（甲基赤藓醇4-磷酸）通路 | DXPS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 直接再生芽中表达显著上调，供应萜类前体 |
| Picrorhiza kurroa 叶片外植体（体外培养） | MEP（甲基赤藓醇4-磷酸）通路 | ISPD | 2-C-甲基-D-赤藓醇4-磷酸胞苷酰转移酶 | 催化 | MEP通路酶，本文中进行了表达分析 |
| Picrorhiza kurroa 叶片外植体（体外培养） | MEP（甲基赤藓醇4-磷酸）通路 | ISPE | 4-（胞苷5-二磷酸）-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶 | 催化 | MEP通路酶，本文中进行了表达分析 |
| Picrorhiza kurroa 叶片外植体（体外培养） | 环烯醚萜（iridoid）通路 | GS | 香叶醇合酶 | 催化 | 直接再生芽中表达显著上调，与Picroside-I含量直接相关，是环烯醚萜途径关键基因 |
| Picrorhiza kurroa 叶片外植体（体外培养） | 环烯醚萜（iridoid）通路 | G10H | 香叶醇-10-羟化酶 | 催化 | 直接再生芽中表达显著上调，催化香叶醇羟化形成环烯醚萜骨架 |
| Picrorhiza kurroa 叶片外植体（体外培养） | 莽草酸/苯丙烷（shikimate/phenylpropanoid）通路 | DAHPS | 3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖酸-7-磷酸合酶 | 催化 | 直接再生芽中表达显著上调，为苯丙烷途径提供前体 |
| Picrorhiza kurroa 叶片外植体（体外培养） | 莽草酸/苯丙烷（shikimate/phenylpropanoid）通路 | PAL | 苯丙氨酸解氨酶 | 催化 | 直接再生芽中表达显著上调，催化苯丙氨酸脱氨，进入苯丙烷代谢 |
关键发现
MS培养基中添加0.5 mg/L TDZ和1.5 mg/L KIN时，直接芽再生效率为83.10%±0.82%，每外植体平均产生7.20±1.10个芽，总再生时间45–50天，而间接再生需80–85天。HPLC显示直接再生芽中Picroside-I含量为9.55 μg/mg（摘要中报道为9.7 μg/mg），母株为6.30 μg/mg，间接再生芽仅为3.41 μg/mg，直接再生较间接再生提高约2.8倍。qRT-PCR显示直接再生芽中HMGR、PMK、DXPS、G10H、DAHPS和PAL等基因的表达显著高于间接再生芽，其中香叶醇合酶（GS）表达与Picroside-I含量呈正相关。
研究结论
直接芽再生策略通过绕过愈伤组织阶段，有效保持了代谢通路基因的高表达和代谢完整性，显著提升Picroside-I产量，为胡黄连的种质保存、遗传改良、可持续生产及商业化应用提供了高效技术平台，并符合可持续发展目标（SDG 3、12、15）。