Enhancement of production of eugenol and its glycosides in transgenic aspen plants via genetic engineering
- 作者
- Takao Koeduka, Shiro Suzuki, Yoko Iijima, Toshiyuki Ohnishi, Hideyuki Suzuki, Bunta Watanabe, Daisuke Shibata, Toshiaki Umezawa, Eran Pichersky, Jun Hiratake
- 单位
- Institute for Chemical Research, Kyoto University; Research Institute for Sustainable Humanosphere, Kyoto University; Faculty of Applied Bioscience, Kanagawa Institute of Technology; Faculty of Agriculture, Shizuoka University; Kazusa DNA Research Institute; Department of Molecular, Cellular and Developmental Biology, University of Michigan
- 杂志
- Biochemical and Biophysical Research Communications（2013）
- DOI
- 10.1016/j.bbrc.2013.05.060
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
如何通过基因工程提高转基因杨树中丁子香酚及其糖苷的产量
研究策略
将矮牵牛的松柏醇乙酰辅酶A转移酶（PhCFAT）和丁子香酚合酶（PhECS）基因导入杂交杨树，单独或共同表达，通过农杆菌介导转化获得转基因植株，并用GC-MS和LC/MS/MS分析叶片中丁子香酚及其糖苷的积累水平。
研究路线图
核心内容
该研究通过农杆菌介导的基因转化，将矮牵牛的松柏醇乙酰辅酶A转移酶基因PhCFAT和丁子香酚合酶基因PhECS单独或共同导入杂交杨树，并利用GC-MS和LC/MS/MS分析叶片中丁子香酚及其糖苷的积累水平。结果显示，野生型杨树叶片仅含少量丁子香酚（平均7.4 μg/g鲜重），单独表达PhCFAT即可将丁子香酚平均含量提升至38.9 μg/g，最高达85.1 μg/g，为野生型的12倍，同时使丁子香酚单糖苷和双糖苷水平分别最高增加22倍和3.5倍。单独表达PhECS仅使丁子香酚含量轻微升至11.3 μg/g，而两者共同表达虽使平均含量达52.5 μg/g，但仍低于单独表达PhCFAT。在烟草和拟南芥中单独表达PhCFAT未检测到丁子香酚增加。该结果表明杨树叶片本身具备部分活跃的丁子香酚合成途径，其限速步骤在于CFAT活性，导入单一外源PhCFAT基因即可有效提高丁子香酚及其糖苷产量，而烟草和拟南芥则因缺乏多个必需酶而无法通过该策略实现合成，这为木本植物中苯丙烷类挥发性化合物的代谢工程改良提供了新思路。
创新点
首次在木本植物（杂交杨树）中证明单独导入外源PhCFAT基因即可显著提高丁子香酚及其糖苷产量，揭示杨树叶片自身存在部分活跃的丁子香酚合成途径，其限速步骤是CFAT活性，而烟草和拟南芥则缺乏多个必需酶。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 杂交杨树 (Populus tremula × tremuloides T89) | 苯丙烷代谢/丁子香酚合成 | PhCFAT | Coniferyl alcohol acetyltransferase (CFAT) | 催化 | 来源于矮牵牛，催化松柏醇乙酰化生成松柏醇乙酸酯 |
| 杂交杨树 (Populus tremula × tremuloides T89) | 苯丙烷代谢/丁子香酚合成 | PhECS | Eugenol synthase (ECS) | 催化 | 来源于矮牵牛，催化松柏醇乙酸酯转化为丁子香酚 |
| 杂交杨树 (Populus tremula × tremuloides T89) | 丁子香酚糖苷合成 | 内源糖基转移酶 (GT) | Glycosyltransferase | 催化 | 内源酶，将丁子香酚转化为单糖苷和双糖苷 |
| 杂交杨树 (Populus tremula × tremuloides T89) | 丁子香酚合成 | 内源EGS类似基因（如TC142239、TC138212等） | EGS-like proteins | 催化 | 杨树EST数据库中存在多个与PhEGS同源的基因，部分在叶中表达，可能具有内源EGS活性 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum SR1) | 丁子香酚合成 | PhCFAT | Coniferyl alcohol acetyltransferase (CFAT) | 催化 | 外源表达未能提高丁子香酚产量，说明烟草缺乏下游必需酶 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana Col-0) | 丁子香酚合成 | PhCFAT | Coniferyl alcohol acetyltransferase (CFAT) | 催化 | 外源表达未能提高丁子香酚产量，说明拟南芥缺乏下游必需酶 |
关键发现
- 野生型杂交杨树叶含有少量丁子香酚（6.2~8.8 μg/g鲜重，平均7.4±1.3 μg/g）。单独表达PhCFAT使丁子香酚含量平均达38.9 μg/g鲜重，最高达85.1 μg/g（为野生型的12倍），同时使丁子香酚单糖苷和双糖苷水平分别最高增加22倍和3.5倍。单独表达PhECS仅使丁子香酚平均含量轻微升至11.3±3.2 μg/g。共同表达PhCFAT和PhECS使丁子香酚平均含量达52.5 μg/g，但低于单独表达PhCFAT
- 双糖苷和单糖苷分别增加7.5倍和2.5倍。在烟草和拟南芥中表达PhCFAT未检测到丁子香酚含量增加。
研究结论
杨树叶片存在部分活跃的丁子香酚合成途径，其通量受CFAT活性限制，导入单一异源PhCFAT基因即可显著提高丁子香酚及其糖苷产量；而烟草和拟南芥因缺乏多个必需酶，无法通过仅导入PhCFAT实现丁子香酚合成。