Polyploidy as a strategy to increase taxane production in yew cell cultures: Obtaining and characterizing a Taxus baccata tetraploid cell line
- 作者
- Ainoa Escriba, Diego Hidalgo, Mercedes Bonfill, Javier Palazon, Raul Sanchez-Munoz, Elisabeth Moyano
- 单位
- Department of Medicine and Life Sciences, Universitat Pompeu Fabra, Barcelona, Spain; Department of Biology, Healthcare and the Environment, Faculty of Pharmacy and Food Science, Universitat de Barcelona, Barcelona, Spain; Laboratory of Functional Plant Biology, Department of Biology, Ghent University, Ghent, Belgium
- 杂志
- Plant Science（2023）
- DOI
- 10.1016/j.plantsci.2023.111776
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
紫杉醇等紫杉烷类化合物在自然界中产量极低，难以满足市场需求；红豆杉细胞培养是可持续替代来源，但产量不足，需要开发新策略提高其生产力。
研究策略
以秋水仙碱处理欧洲红豆杉（Taxus baccata）未成熟胚胎，在体外诱导多倍体化，筛选并建立四倍体细胞系；通过流式细胞术确认倍性，比较二倍体、不完全多倍体和四倍体细胞系的形态、紫杉烷产量及紫杉烷生物合成基因表达水平。
核心内容
针对紫杉醇等紫杉烷类化合物天然产量极低、细胞培养生产力不足的问题，该研究以秋水仙碱处理欧洲红豆杉未成熟胚，成功诱导并获得四倍体细胞系，其中0.05%秋水仙碱为最适浓度。流式细胞术确认倍性后，比较了四倍体、不完全多倍体与二倍体细胞系的形态、产量及基因表达。结果显示，四倍体细胞体积约为二倍体的3倍，总紫杉烷产量在第8天达21.64 mg/L，是同日二倍体的6.2倍，而二倍体最高产量仅13.7 mg/L且出现于第16天，表明多倍体化不仅显著提升产量，还将生产峰值提前了8天。尤为突出的是，四倍体细胞外紫杉烷含量达19 mg/L，为二倍体的10.8倍，而胞内含量反而更低，揭示多倍体化增强了紫杉烷外排。通路基因表达方面，DBTNBT在48小时上调至二倍体的53.2倍，BAPT、DBAT等亦有数倍至九倍提升。该四倍体细胞系为红豆杉细胞培养可持续生产紫杉醇提供了有前景的新策略。
创新点
首次成功在Taxus spp.中通过秋水仙碱处理未成熟胚获得四倍体细胞系；四倍体细胞系紫杉烷产量显著提高（6.2倍），且生产峰值提前8天；发现多倍体化可增强紫杉烷外排。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus baccata（欧洲红豆杉） | 紫杉烷生物合成通路 | — | — | — | 用秋水仙碱处理未成熟胚获得不同倍性细胞系（二倍体、不完全多倍体、四倍体） |
| Taxus baccata 四倍体细胞系 | 紫杉烷生物合成通路 | GGPPS | 香叶基香叶基二磷酸合酶（geranylgeranyl diphosphate synthase） | 催化 | 四倍体在48h表达峰，比二倍体高1.76倍，比不完全多倍体高4.7倍 |
| Taxus baccata 四倍体细胞系 | 紫杉烷生物合成通路 | TXS | 紫杉二烯合酶（taxadiene synthase） | 催化 | 四倍体在12h和72h表达峰，分别比二倍体高2.84倍和2.66倍 |
| Taxus baccata 四倍体细胞系 | 紫杉烷生物合成通路 | DBAT | 10-去乙酰巴卡亭III-10-O-乙酰转移酶（10-deacetylbaccatin III-10-O-acetyltransferase） | 催化 | 四倍体在4h表达比对照高9.1倍 |
| Taxus baccata 四倍体细胞系 | 紫杉烷生物合成通路 | BAPT | 巴卡亭III 13-O-(3-氨基-3-苯基丙酰基)转移酶（baccatin III 13-O-(3-amino-3-phenylpropanoyl) transferase） | 催化 | 四倍体在4h表达比二倍体高7.17倍 |
| Taxus baccata 四倍体细胞系 | 紫杉烷生物合成通路 | DBTNBT | 3'-N-去苯甲酰-2'-去氧紫杉醇-N-苯甲酰转移酶（3'-N-debenzoyl-2'-deoxytaxol-N-benzoyltransferase） | 催化 | 四倍体在48h表达比二倍体高53.2倍 |
关键发现
- 四倍体细胞系中伸长的细胞大小为569.22±95.46 μm，是二倍体（170.62±45.78 μm）的3.33倍
- 圆形细胞为315.70±83.32 μm，是二倍体（105.33±18.48 μm）的2.99倍。四倍体细胞系在第8天总紫杉烷产量达21.64 mg/L，是同日二倍体的6.2倍，而二倍体最高产量（13.7 mg/L）出现在第16天
- 四倍体细胞外紫杉烷含量在同日达到19 mg/L，是二倍体的10.8倍
- 四倍体细胞内紫杉烷含量比二倍体低2.5倍，表明外排增强。基因表达方面，四倍体细胞系中GGPPS在48h表达为二倍体1.76倍、不完全多倍体4.7倍
- TXS在12h和72h分别为二倍体的2.84倍和2.66倍
- DBAT在4h为对照的9.1倍
- BAPT在4h为二倍体的7.17倍
- DBTNBT在48h为二倍体的53.2倍。秋水仙碱浓度影响显著：0.1%致死率72%，0.05%致死率68%，0.01%发芽率63%，对照为70%。
研究结论
通过秋水仙碱处理未成熟胚胎成功诱导了T. baccata四倍体细胞系，其中0.05%秋水仙碱为最适浓度。四倍体细胞系细胞体积增大、紫杉烷产量显著提高（总产量6.2倍，细胞外10.8倍），生产峰值提前，且紫杉烷合成通路所有检测基因表达上调，其中BAPT和DBTNBT增幅最大。该四倍体细胞系为可持续生产紫杉醇提供了有前景的生物工厂策略。