Increased production of wax esters in transgenic tobacco plants by expression of a fatty acid reductase:wax synthase gene fusion
- 作者
- Selcuk Aslan, Per Hofvander, Paresh Dutta, Chuanxin Sun, Folke Sitbon
- 单位
- Department of Plant Biology, Uppsala BioCenter, Linnean Centre for Plant Biology, Swedish University of Agricultural Sciences (SLU), P.O. Box 7080, 75007 Uppsala, Sweden; Department of Plant Breeding, Swedish University of Agricultural Sciences (SLU), Alnarp, Sweden; Department of Food Science, Swedish University of Agricultural Sciences (SLU), Uppsala, Sweden
- DOI
- 10.1007/s11248-015-9893-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物中蜡酯含量过低，无法商业利用；探索通过转基因策略在烟草营养组织中提高蜡酯生物合成的可行性。
研究策略
将来自Marinobacter的脂肪酸还原酶基因MaFAR与蜡酯合酶基因MhWS融合，并在N端连接叶绿体转运肽序列，置于CaMV 35S启动子下，通过农杆菌介导的叶盘法稳定转化烟草（Nicotiana benthamiana），获得转基因系并分析蜡酯产量、组成及表型。
研究路线图
核心内容
该研究通过稳定转化烟草（Nicotiana benthamiana）实现蜡酯的高水平生产。研究者将来自Marinobacter的脂肪酸还原酶基因MaFAR与蜡酯合酶基因MhWS融合，在N端连接叶绿体转运肽，置于CaMV 35S启动子下，利用农杆菌介导的叶盘法获得稳定转基因系。结果显示，转基因植株整体蜡酯水平较野生型提高约8倍，叶片最高蜡酯含量达0.28 μmol/g FW，每株总蜡酯约8 mg，占干重约0.15%。蜡酯的脂肪醇部分主要为16:0-OH和18:0-OH，脂肪酸部分包括16:0、18:0、18:2、20:0和22:0。然而，仅表达脂肪酸还原酶的转基因系中，游离脂肪醇积累与致死表型密切相关，死苗中游离脂肪醇水平比活苗高6倍以上，强表达系还出现生长迟缓和叶片白化。该研究首次证明单一FAR:WS融合基因可在稳定转化的烟草营养组织中高效生产蜡酯，但需优化脂肪醇的酯化平衡以缓解毒性，并可通过更强表达或底物谱更宽的蜡酯合酶进一步提高产量至商业水平。
创新点
首次在稳定转化的烟草营养组织中利用单一FAR:WS融合基因高效生产蜡酯；证明叶绿体靶向的融合酶在稳定表达体系中有效；揭示了游离脂肪醇积累对植物生长和高产蜡酯的负面影响，并提出优化策略。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草（Nicotiana benthamiana） | 蜡酯生物合成 | tpMaFAR::MhWS（融合基因） | FAR:WS融合蛋白 | 催化 | 包含脂肪酸还原酶和蜡酯合酶活性，靶向叶绿体，驱动蜡酯合成 |
| 烟草（Nicotiana benthamiana） | 蜡酯生物合成 | MaFAR | 脂肪酸还原酶（FAR） | 催化 | 来自Marinobacter，催化脂肪酸还原为脂肪醇 |
| 烟草（Nicotiana benthamiana） | 蜡酯生物合成 | MhWS | 蜡酯合酶（WS） | 催化 | 来自Marinobacter，催化脂肪醇与脂肪酸酯化形成蜡酯 |
| 烟草（Nicotiana benthamiana） | 蜡酯生物合成 | 叶绿体转运肽编码序列（tp） | 叶绿体转运肽 | 区室化 | 将融合蛋白靶向定位到叶绿体 |
关键发现
- 转基因烟草（35S:tpMaFAR::MhWS）整体植物蜡酯水平较野生型提高约8倍
- 叶片最高蜡酯含量达0.28 μmol/g FW
- 每株（约85 g FW）总蜡酯约8 mg，占干重约0.15%
- 蜡酯中脂肪醇部分主要为16:0-OH和18:0-OH，脂肪酸部分主要含16:0、18:0、18:2、20:0和22:0
- 游离脂肪醇在叶片中部最高约0.4 μmol/g FW
- 35S:tpMaFAR转基因系T2代约80%出现致死表型，死苗中游离脂肪醇水平比活苗高6倍以上
- 强表达系出现生长迟缓和叶片白化等发育异常。
研究结论
稳定转化烟草可在营养组织中实现蜡酯的高水平生产（约0.15% DW），但需优化脂肪醇的酯化平衡以减少游离脂肪醇积累，并通过更强表达、宽底物谱的蜡酯合酶或杂交策略进一步提高产量至商业水平。