Metabolic engineering approaches for production of biochemicals in food and medicinal plants
- 作者
- Sarah A Wilson, Susan C Roberts
- 单位
- Department of Chemical Engineering, University of Massachusetts Amherst
- 杂志
- Current Opinion in Biotechnology（2014）
- DOI
- 10.1016/j.copbio.2014.01.006
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
植物天然产物结构复杂、化学合成困难，且天然含量低，需要利用代谢工程提高药用植物和粮食作物中目标化合物的产量或引入新生物合成途径，以降低成本或改善营养。
研究策略
综述植物代谢工程策略，包括稳定转化技术（农杆菌、基因枪）、位点特异性基因组编辑工具（ZFN、TALEN、CRISPR）、基于组学数据的途径基因发现、以及通过上调关键合成酶基因或引入异源基因来重构代谢流，并以紫杉醇（体外培养）和β-胡萝卜素（黄金稻）为例说明。
核心内容
该研究系统综述了利用代谢工程提高粮食作物和药用植物中天然产物产量的策略，重点涵盖稳定遗传转化、ZFN/TALEN/CRISPR等位点特异性基因组编辑工具，以及基于组学数据的途径基因发掘方法。在具体案例中，上调红豆杉毛状根中紫杉二烯合酶使紫杉醇产量提升265%，在E. coli中通过区室化平衡GGPP前体供给实现紫杉二烯产量达1.02 g/L；黄金稻通过以玉米八氢番茄红素合酶替代水仙来源酶，使胚乳总类胡萝卜素达37 μg/g，其中β-胡萝卜素含量提高23倍至30 μg/g，50 g干重即可满足儿童每日维生素A推荐摄入量的大部分需求；沉默甜橙β-胡萝卜素羟化酶使果实中β-胡萝卜素含量提高36倍。研究还报道了利用RNA-seq和共表达分析发现iridoid synthase等新酶的策略。这些结果表明，通过多基因协同操作和异源途径重构，能够显著提升目标代谢物积累，但植物次生代谢网络复杂且尚未完全解析，未来需结合系统级模型和基因叠加技术进一步提高可控性并推动商业化应用。
创新点
['利用ZFN/TALEN/CRISPR实现无选择标记的定点基因编辑和基因叠加', '利用RNA-seq和共表达分析发现新酶（如iridoid synthase）', '在E. coli中通过区室化平衡前体供给，实现紫杉二烯高产', '用玉米phytoene synthase替代水仙酶大幅提高黄金稻β-胡萝卜素含量']
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus × media毛状根 | 紫杉醇生物合成 | TASY | 紫杉二烯合酶 | 催化 | 上调使紫杉醇产量提高265% |
| Taxus chinensis悬浮细胞 | 紫杉醇生物合成 | DBAT | 10-脱乙酰巴卡亭III-10β-O-乙酰转移酶 | 催化 | 过表达使紫杉醇产量提高1.7倍 |
| Taxus chinensis悬浮细胞 | ABA生物合成 | NCED | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶 | 催化 | 过表达后ABA增加48%，紫杉醇增加2.7倍 |
| Escherichia coli | 紫杉醇前体生物合成（异源） | TASY, GGPP合酶等 | 紫杉二烯合酶等 | 催化 | 区室化系统获得1.02 g/L紫杉二烯；表达CYP450后taxadiene-5α-ol达60 mg/L |
| Oryza sativa (水稻)胚乳 | β-胡萝卜素生物合成 | psy (水仙/玉米), crtI (细菌), lyc-β-cyclase | 八氢番茄红素合酶、细菌carotene desaturase、番茄红素β-环化酶 | 催化 | 玉米psy替换水仙psy后β-胡萝卜素达30 μg/g，总类胡萝卜素37 μg/g |
| Catharanthus roseus毛状根 | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成 | DXS, G10H, ASα | 1-脱氧-D-木酮糖合酶、香叶醇-10-羟化酶、邻氨基苯甲酸合酶α亚基 | 催化 | 单基因过表达效果不一，共过表达DXS+G10H或DXS+ASα显著增加多种TIA积累 |
| Citrus sinensis (甜橙)果实 | 类胡萝卜素代谢 | β-胡萝卜素羟化酶 | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 沉默该基因使β-胡萝卜素含量提高36倍 |
关键发现
- ['上调Taxus × media毛状根中紫杉二烯合酶（TASY）使紫杉醇产量提高265%', '在T. chinensis悬浮细胞中过表达10-脱乙酰巴卡亭III-10β-O-乙酰转移酶使紫杉醇产量提高1.7倍', '过表达9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶使ABA积累增加48%，紫杉醇积累提高2.7倍', '在E. coli中通过区室化系统平衡GGPP供给，获得紫杉二烯1.02 g/L
- 经密码子优化、N端修饰和融合还原酶后，taxadiene-5α-ol产量达60 mg/L', '黄金稻中用水仙phytoene synthase可积累无色的八氢番茄红素
- 用玉米phytoene synthase替换水仙酶后，总类胡萝卜素达37 μg/g稻米，其中β-胡萝卜素30 μg/g，提高23倍', '黄金稻中β-胡萝卜素生物利用度高，50 g干重可供儿童>60%的每日维生素A推荐摄入量', '沉默橙子β-胡萝卜素羟化酶基因使果实β-胡萝卜素含量提高36倍']
研究结论
代谢工程在植物和微生物系统中已成功提高紫杉醇和β-胡萝卜素等植物天然产物的产量，但植物生物合成途径尚未完全解析，且复杂调控机制需要多基因协同操作和系统级模型指导；未来需完善转化效率和监管框架以促进商业化。