Metabolic engineering of Dunaliella salina for production of ketocarotenoids
- 作者
- N. Anila, Daris P. Simon, Arun Chandrashekar, G. A. Ravishankar, R. Sarada
- 单位
- Department of Botany, St. Xavier's College For Women (Affiliated to Mahatma Gandhi University), Aluva 683101, India; Plant Cell Biotechnology Department, Central Food Technological Research Institute (A Constituent Laboratory of the Council of Scientific and Industrial Research, CSIR), Mysore, Karnataka 570 020, India; Bhat Bio- Tech India (P) Ltd., 11- A, 4th Cross Veerasandra Industrial Area Electronics City, Bangalore 561221, India; Dr. C. D. Sagar Center for Life Sciences, Dayanada Sagar Institutions, Bangalore 560008, India
- 杂志
- Photosynthesis Research（2015）
- DOI
- 10.1007/s11120-015-0188-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在盐藻（Dunaliella salina）中通过代谢工程引入β-胡萝卜素酮化酶基因（bkt），使其生产酮类胡萝卜素（如虾青素和角黄素），从而利用盐藻高积累β-胡萝卜素的特点，为虾青素等珍贵类胡萝卜素的商业化生产提供可行宿主。
研究策略
通过农杆菌介导的遗传转化，将雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）的bkt基因置于盐藻内源RBCS2启动子（全长1.4 kb或缺失片段0.6 kb）控制下，并在N端融合叶绿体转运肽以靶向叶绿体（β-胡萝卜素积累部位），实现酮类胡萝卜素在盐藻中的合成。
核心内容
本研究通过农杆菌介导的遗传转化，将雨生红球藻来源的β-胡萝卜素酮化酶基因（bkt）导入盐藻，置于盐藻内源RBCS2启动子（全长1.4 kb或缺失片段0.6 kb）控制下，并在N端融合叶绿体转运肽以实现靶向表达，从而在β-胡萝卜素高积累的盐藻中引入酮类胡萝卜素合成支路。结果显示，在p1304-RBS-BKT转化体中，虾青素最高含量达3.5 μg/g干重，角黄素达1.9 μg/g干重，酮类胡萝卜素最多占总类胡萝卜素的3%。研究还发现，bkt2型酮化酶在盐藻中既能催化β-胡萝卜素酮化，也能催化玉米黄质酮化，并且转化体中内源β-胡萝卜素羟化酶上调了2–3倍，玉米黄质含量从野生型的5.9 μg/g干重降至2.5 μg/g干重。营养限制条件下BKT表达量比MAS100培养基高2–3倍。该工作首次证明仅通过单基因bkt的表达即可在盐藻中实现酮类胡萝卜素的从头合成，验证了盐藻作为虾青素工程宿主的可行性，但当前产量偏低，仍需在高光等胁迫条件下进一步优化以提升虾青素积累水平。
创新点
首次报道对盐藻类胡萝卜素生物合成途径进行代谢工程改造；利用盐藻自身RBCS2启动子及叶绿体转运肽实现bkt的叶绿体靶向表达；证明了bkt2型酮化酶在盐藻中既催化β-胡萝卜素酮化也催化玉米黄质酮化，并导致内源β-胡萝卜素羟化酶显著上调。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | bkt (bkt2) | β-胡萝卜素酮化酶（BKT） | 催化 | 来自雨生红球藻，受盐藻RBCS2启动子（1.4 kb或0.6 kb缺失片段）驱动，融合叶绿体转运肽靶向叶绿体 |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | chy | β-胡萝卜素羟化酶（CHY/BKH） | 催化 | 内源基因，在BKT高表达的转化体中显著上调2-3倍 |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | psy | 八氢番茄红素合酶（PSY） | 催化 | 内源基因，表达水平无显著变化 |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | pds | 八氢番茄红素脱饱和酶（PDS） | 催化 | 内源基因，表达水平无显著变化 |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | lcy | 番茄红素环化酶（LCY） | 催化 | 内源基因，表达水平无显著变化 |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | — | RBCS2叶绿体转运肽 | 区室化 | 将BKT靶向叶绿体，使β-胡萝卜素转化为酮类胡萝卜素 |
关键发现
- 在p1304-RBS-BKT转化体中，虾青素最高含量达3.5 μg/g干重，角黄素达1.9 μg/g干重
- 在营养限制条件下BKT表达量比MAS100培养基高2-3倍
- 转化体中内源β-胡萝卜素羟化酶上调2-3倍
- 玉米黄质含量从野生型的5.9 μg/g DW降至转化体的2.5 μg/g DW
- 酮类胡萝卜素最多占总类胡萝卜素的3%。
研究结论
本研究首次证明通过单基因bkt的表达即可在盐藻中实现酮类胡萝卜素（包括虾青素和角黄素）的合成，验证了盐藻作为生产虾青素的工程宿主具有可行性，但产量较低，需在高光等胁迫条件下进一步优化以提高虾青素积累。