Creating plant molecular factories for industrial and nutritional isoprenoid production
- 作者
- Marilise Nogueira, Eugenia MA Enfissi, Juliana Almeida, Paul D Fraser
- 单位
- School of Biological Sciences, Royal Holloway University of London, Egham Hill, Egham, Surrey TW20 ORB, UK
- 杂志
- Current Opinion in Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1016/j.copbio.2017.08.002
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物作为'绿色'化学工厂生产工业及营养用异戊二烯类化合物，在真实场景下经济竞争力不足，需要开发有效的代谢工程策略并利用新兴分子工具（如基因组编辑）提高产量和经济性。
研究策略
综述多种策略，包括单基因调控（如PSY1、DXS）、多基因mini-pathway异源表达（如Golden Rice）、转录因子调控（ORCA/BIS）、质体转化及COSTREL组合转化、调节前体供应与减少降解（抑制CCD）、改善细胞区室化存储结构（fibrillin、DET1）、以及利用CRISPR/Cas进行基因组编辑。
核心内容
该综述系统梳理了利用植物作为分子工厂生产工业及营养用异戊二烯类化合物的代谢工程策略，涵盖单基因调控、多基因mini-pathway异源表达、转录因子调控、质体转化及COSTREL组合转化等路径。关键策略包括上调番茄PSY1、水稻胚乳中表达水仙PSY和细菌CrtI实现β-胡萝卜素合成，以及通过调控ORCA/BIS转录因子、抑制CCD降解、上调DET1增加质体数量等。文章重点介绍了CRISPR/Cas9基因组编辑、COSTREL核/质体组合转化等新兴工具，为建立无转基因植物工厂提供新范式。关键结果包括在长春花中调控ORCA转录因子簇使萜类吲哚生物碱积累增加超过40倍，大豆HGO基因突变使生育酚含量提高2倍。异戊二烯类天然产物种类超过40,000种，全球市场约每年10亿美元。该研究意味着植物作为异戊二烯生产平台已实现高价值化合物可行性验证，但市场化仍受限于监管审批、消费者认知及经济可行性，而基因组编辑技术有望加速产业化。
创新点
系统总结了从传统代谢工程到合成生物学的进展，特别提出利用CRISPR/Cas9基因组编辑、COSTREL（核/质体组合转化）和水平基因组转移等新兴技术建立植物分子工厂的新范式。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY1 | Phytoene synthase 1 | 催化 | 组成型过表达导致矮化，因代谢流从赤霉素途径转向类胡萝卜素。 |
| 水稻（胚乳） | β-胡萝卜素生物合成 | PSY（来自水仙） | Phytoene synthase | 催化 | Golden Rice中异源表达，与CrtI共同合成β-胡萝卜素。 |
| 水稻（胚乳） | β-胡萝卜素生物合成 | CrtI | Phytoene desaturase (细菌) | 催化 | 细菌八氢番茄红素脱氢酶，用于黄金水稻。 |
| 长春花 | 萜类吲哚生物碱生物合成 | ORCA | ORCA transcription factor (AP2/ERF) | 调控 | 在茉莉酸响应中调控萜类吲哚生物碱合成，其调节可使积累增加>40倍。 |
| 长春花 | 萜类吲哚生物碱生物合成 | BIS1 | BIS1 transcription factor (bHLH) | 调控 | 控制单萜吲哚生物碱途径的环烯醚萜分支。 |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素生物合成 | OR | ORANGE protein | 调控 | 质体定位蛋白，通过稳定PSY增强类胡萝卜素积累。 |
| 番茄 | 异戊二烯次生代谢 | DET1 | DE-ETIOLATED1 | 调控 | 果实特异性下调增加质体数量和大小，形成代谢库并提升多种异戊二烯代谢物。 |
| 番茄 | 质体发育/类胡萝卜素储存 | Fibrillin | Fibrillin | 区室化 | 改变质体超微结构，增加色素积累。 |
| 拟南芥（种子） | 类胡萝卜素降解 | CCD4 | Carotenoid cleavage dioxygenase 4 | 催化 | 负调控β-胡萝卜素含量，抑制其表达可提高类胡萝卜素水平。 |
| 大豆（种子） | 维生素E生物合成/酪氨酸降解 | HGO | Homogentisate dioxygenase | 催化 | HGO突变使生育酚/生育三烯酚含量增加2倍。 |
| 葡萄 | MEP pathway | DXS | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | 编码区SNP与高单萜（香叶醇、芳樟醇、橙花醇）含量相关。 |
关键发现
- 异戊二烯类天然产物种类超过40,000种，全球市场约每年10亿美元
- 在Catharanthus roseus中调控ORCA转录因子簇使萜类吲哚生物碱积累增加>40倍
- 大豆中HGO基因突变使生育酚/生育三烯酚含量提高2倍
- 单基因调控（如番茄PSY1）会造成矮化、衰老等多效性效应
- Golden Rice通过表达水仙PSY和细菌CrtI在稻米胚乳中合成β-胡萝卜素
- 抑制CCD基因或增强抗氧化能力可减少类胡萝卜素降解
- 下调DET1可增加质体数量和大小，提升多种异戊二烯次级代谢物。
研究结论
植物作为异戊二烯生产平台已实现高价值化合物的可行性验证，但市场化受限于监管审批、消费者认知及经济可行性；新兴的基因组编辑技术（CRISPR）和合成生物学方法有望创造无转基因的新品种，加速产业化并促进生物经济发展。