Terpenoid indole alkaloid biosynthesis in Catharanthus roseus: effects and prospects of environmental factors in metabolic engineering
- 作者
- Yongliang Liu, Barunava Patra, Sanjay Kumar Singh, Priyanka Paul, Yan Zhou, Yongqing Li, Ying Wang, Sitakanta Pattanaik, Ling Yuan
- 单位
- Key Laboratory of South China Agricultural Plant Molecular Analysis and Genetic Improvement, Guangdong Provincial Key Laboratory of Applied Botany, South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences; University of Chinese Academy of Sciences; Department of Plant and Soil Sciences and Kentucky Tobacco Research and Development Center, University of Kentucky
- 杂志
- Biotechnology Letters（2021）
- DOI
- 10.1007/s10529-021-03179-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
环境因素（光照、干旱、盐、温度、紫外线、重金属、营养缺乏、草食动物和病原体）如何影响长春花中萜类吲哚生物碱（TIAs）的生物合成，以及如何利用这些知识进行代谢工程以提高目标化合物的产量。
研究策略
综述环境因素对TIA途径基因表达和代谢物积累的影响，分析其信号传导和转录调控机制，并讨论利用环境响应基因和转录因子进行代谢工程的策略，包括push、pull和push-and-pull等策略。
核心内容
该综述系统梳理了环境因素对长春花中萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成的调控作用及其在代谢工程中的应用前景。作者归纳了光照、干旱、盐胁迫、温度、紫外线、重金属、营养缺乏以及生物因素（草食动物和病原真菌）对TIA途径关键基因表达和代谢物积累的影响，并分析了其背后的信号传导与转录调控机制。关键结果包括：暗生长黄化幼苗中vindoline含量极微，光照后显著增加；镉、镍或锰处理可使蛇根碱含量增加2–3倍但同时抑制阿吗碱积累；干旱胁迫上调TDC、STR、DAT基因并提高长春质碱、vindoline和长春碱含量；昆虫取食和真菌侵染也显著诱导ORCA3、STR、D4H等基因表达并提升目标产物积累。基于这些环境响应机制，作者提出以环境诱导的转录因子（如ORCA3、BIS1、MYC2突变体）和蛋白激酶作为工程靶点，结合多基因共表达、瞬时表达、VIGS和CRISPR等策略进行push、pull或push-and-pull式代谢工程改造。该工作为利用环境信号驱动长春花中高价值抗癌生物碱（如长春碱、长春新碱）的高效生产提供了系统的理论依据与可行的工程思路。
创新点
系统总结了环境因素对长春花TIA生物合成的调控作用，提出利用环境响应相关转录因子和蛋白激酶作为代谢工程工具，并讨论了组合转化、瞬时表达、VIGS和CRISPR等技术的应用前景。
研究对象（19）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径-吲哚分支 | TDC | 色氨酸脱羧酶 | 催化 | 催化色氨酸脱羧生成色胺，上游限速酶，受干旱、盐、UV、病原体等调控 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径-吲哚分支 | STR | 异胡豆苷合成酶 | 催化 | 催化色胺与断马钱子苷缩合生成异胡豆苷（strictosidine），关键中间步骤 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径-萜类分支 | G10H | 香叶醇10-羟化酶 | 催化 | 催化香叶醇生成10-羟基香叶醇，参与裂环马钱子苷合成，受UV诱导 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径-下游长春质碱/长春碱途径 | D4H | 去乙酰氧基长春碱-4-羟化酶 | 催化 | 参与长春碱（vindoline）生物合成，受光照、干旱、温度、UV等调控 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径-下游长春质碱/长春碱途径 | DAT | 去乙酰长春碱-4-O-乙酰转移酶 | 催化 | 长春碱生物合成的最后一步酶，受光照、干旱、盐、UV等调控 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径-下游长春碱途径 | T16H2 | 它波宁16-羟化酶2 | 催化 | 轻诱导下受CrGATA1激活，受CrPIF1抑制，参与vindoline前体合成 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径-下游长春碱途径 | T3O | 它波宁3-加氧酶 | 催化 | 参与tabersonine到vindoline的羟化步骤，受光照诱导 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径-下游长春碱途径 | T3R | 它波宁3-还原酶 | 催化 | 参与tabersonine到vindoline的还原步骤，受光照诱导 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径-中间步骤 | SGD | 异胡豆苷β-D-葡萄糖苷酶 | 催化 | 定位于细胞核，水解异胡豆苷生成活性二醛，是TIA途径的重要分支点 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径 | ORCA3 | AP2/ERF转录因子ORCA3 | 调控 | 茉莉酸响应转录激活因子，调控TDC、STR等上游基因，受UV和草食动物诱导 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径 | CrMYC2 | bHLH转录因子CrMYC2 | 调控 | 茉莉酸信号核心调控因子，激活ORCA基因和上游途径，可被MAPK磷酸化 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径-裂环马钱子苷分支 | BIS1 | bHLH转录因子BIS1 | 调控 | 调控裂环马钱子苷（iridoid）分支基因，与ORCA3协同可增强TIA积累 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径-长春碱途径 | CrGATA1 | GATA转录因子CrGATA1 | 调控 | 光诱导的转录激活因子，促进vindoline途径基因表达，黑暗下受CrPIF1抑制 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径-长春碱途径 | CrPIF1 | 光敏色素互作因子CrPIF1 | 调控 | 光信号负调控因子，抑制T16H2和DAT，并抑制CrGATA1表达 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径 | CrMAPK3 | 丝裂原活化蛋白激酶3 | 调控 | 响应热、UV和病原体信号，通过磷酸化CrMYC2和ORCAs调控TIA基因表达 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径 | CrMAPK6 | 丝裂原活化蛋白激酶6 | 调控 | 与CrMAPK3协同，磷酸化调控因子，参与温度及病原体响应的TIA调控 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径-转运 | CrNPF2.4 | 硝酸盐/肽转运蛋白CrNPF2.4 | 转运 | 参与iridoid中间体的细胞内运输，与其他NPF转运蛋白协同 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径-转运 | CrNPF2.9 | 硝酸盐/肽转运蛋白CrNPF2.9 | 转运 | 定位于液泡膜，将异胡豆苷从液泡转运到细胞质 |
| Catharanthus roseus (长春花) | 萜类吲哚生物碱(TIA)生物合成途径-转运 | CrTPT2 | ABC转运蛋白CrTPT2 | 转运 | 将长春质碱分泌到叶片表面，参与TIA的亚细胞分配 |
关键发现
- 暗生长的黄化长春花幼苗中vindoline含量极微，光照后显著增加
- Cd、Ni或Mn处理使蛇根碱（serpentine）含量增加2-3倍，同时抑制阿吗碱（ajmalicine）积累
- UV-B处理诱导长春花叶片中阿吗碱、vincamine、去乙酰基vindoline和长春新碱（vincristine）的积累
- 干旱胁迫上调TDC、STR、DAT基因并增加长春质碱（catharanthine）、vindoline和长春碱（vinblastine）的积累
- 草食动物Manduca sexta取食诱导ORCA3、STR、SGD、D4H、DAT表达并增加总TIA、阿吗碱、长春质碱和vindoline
- 病原真菌和内生真菌诱导TDC、STR、G10H、16OMT、D4H、DAT、PRX1等基因表达，提高vindoline含量
- 过表达ORCA3、BIS1和突变MYC2的组合可显著上调TIA途径基因表达并增加TIA积累。
研究结论
环境因素通过调控TIA途径基因和转录因子的表达来影响TIAs的积累，这些环境响应基因和调控因子可作为代谢工程工具。结合多基因共表达、瞬时表达和基因编辑技术，有望提高长春花中抗癌生物碱的产量。