Enhanced levels of S-linalool by metabolic engineering of the terpenoid pathway in spike lavender leaves
- 作者
- Isabel Mendoza-Poudereux, Jesús Muñoz-Bertomeu, Alicia Navarro, Isabel Arrillaga, Juan Segura
- 单位
- Departamento de Biología Vegetal, Universidad de Valencia, Av. Vicent Andrés Estellés S/N, Burjasot, 46100 Valencia, Spain; ISIC/ERI de Biotecnología y Biomedicina, Universidad de Valencia, Av. Vicent Andrés Estellés S/N, Burjasat, 46100 Valencia, Spain; Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas, Departamento Biotecnología, Universidad Politécnica de Valencia-Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Clingeniero Fausto Elio, 46022 Valencia, Spain
- 杂志
- Metabolic Engineering（2014）
- DOI
- 10.1016/j.ymben.2014.03.003
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过代谢工程手段提高穗花薰衣草（Lavandula latifolia）精油中芳樟醇的含量，从而改善精油品质（提高芳樟醇/樟脑比例）
研究策略
利用农杆菌介导转化将Clarkia breweri的芳樟醇合酶（LIS）基因在穗花薰衣草中过表达，并通过杂交获得同时携带DXS和LIS基因的双转基因植株，分析叶片和花精油中芳樟醇及其他单萜含量变化
核心内容
该研究通过农杆菌介导的遗传转化，在穗花薰衣草中过表达源自Clarkia breweri的芳樟醇合酶基因，并利用杂交策略整合DXS与LIS基因，旨在提升精油中芳樟醇含量、优化芳樟醇与樟脑的比例。结果表明，在8个LIS转基因株系中，7个株系的叶片芳樟醇含量较对照提高100%至1000%，其中LIS3和LIS4在第一节叶中芳樟醇含量分别达57.13和61.69 μg/g FW，为对照的10.8倍和12.7倍；T1代中该高芳樟醇表型可稳定遗传，如LIS6-28的叶精油产量达15622 μg/g FW。然而，DXS与LIS双转基因植株中出现了共抑制效应，导致LIS和DXS转录水平显著降低，精油产量和芳樟醇含量均低于亲本，无法实现协同增效。上述结果表明，单独过表达LIS基因可在不改变精油总产量的前提下大幅提高叶片芳樟醇含量且性状可传递，但双基因组合策略因沉默机制受阻，未来需借助组织特异性启动子以实现在花中的靶向调控。
创新点
首次在穗花薰衣草中过表达LIS基因，使幼叶中芳樟醇含量最高提升1000%；通过杂交组合DXS和LIS基因试图协同增强芳樟醇产量，但发现共抑制现象；证实了叶片与花中芳樟醇合成受空间调控的影响
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Lavandula latifolia (spike lavender) | 单萜合成途径（从GPP到芳樟醇） | LIS | S-linalool synthase | 催化 | 来自Clarkia breweri，催化GPP转化为S-芳樟醇；过表达使叶片芳樟醇含量显著增加 |
| Lavandula latifolia (spike lavender) | MEP途径（甲基赤藓醇磷酸途径） | DXS | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | 来自拟南芥，MEP途径第一个酶；与LIS共表达时出现共抑制，导致精油产量和芳樟醇含量下降 |
关键发现
- 在8个LIS转基因T0株系中，7个株系叶片芳樟醇含量较对照显著增加100%-1000%
- 其中LIS3和LIS4在第一节叶中芳樟醇含量分别达57.13±0.18和61.69±1.66 μg/g FW（对照6.15±0.17），提高10.8倍和12.7倍
- 第二节叶中分别提高12.8倍和9.4倍。T1代中继承LIS转基因的植株保持了高芳樟醇表型，如LIS6-28的叶精油产量为15622±317 μg/g FW。双转基因DXS-LIS植株（DXS6-LIS8-1和DXS6-LIS8-2）中LIS和DXS转录水平显著降低，精油产量和芳樟醇含量低于亲本，表明存在共抑制效应。
研究结论
过表达Clarkia breweri LIS基因可在不改变精油总产量的情况下显著提高穗花薰衣草叶片中的芳樟醇含量，该性状可遗传至T1代；但在DXS-LIS双转基因植株中因共抑制未能实现协同增效，未来需采用组织特异性启动子以在花中提高芳樟醇含量。