Enhancement of ginsenoside Rg1 in Panax ginseng hairy root by overexpressing the α-L-rhamnosidase gene from Bifidobacterium breve

作者: Ru Zhang, Bian-Ling Zhang, Gu-Cai Li, Tao Xie, Teng Hu, Zhi-Yong Luo
单位: College of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China; Molecular Biology Research Center, School of Life Sciences, Central South University, Changsha 410078, China
杂志: Biotechnology Letters（2015）
DOI: 10.1007/s10529-015-1889-y
所属领域: 代谢工程
关键词: Bifidobacterium breveGinsenoside Rg1Hairy rootsPanax ginsengTransgenic hairy rootsα-L-Rhamnosidase
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解决的核心问题

利用微生物来源的α-L-鼠李糖苷酶基因在人参发根中异源表达，以提高人参皂苷Rg1的产量，因为Rg1是源于人参皂苷Re的脱糖代谢产物，具有重要药理活性，但天然含量低。

研究策略

将来自Bifidobacterium breve的α-L-鼠李糖苷酶基因（BbRha）构建到植物表达载体pBI121中，通过发根农杆菌A4介导转化人参根，获得转基因发根，利用该酶将人参皂苷Re转化为Rg1。

研究路线图

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核心内容

研究者将来自短双歧杆菌的α-L-鼠李糖苷酶基因BbRha构建至植物表达载体pBI121中，通过发根农杆菌A4介导转化人参根，获得异源表达该酶的转基因发根体系，旨在利用该酶将人参皂苷Re定向脱糖转化为药理活性更强但天然含量低的Rg1。结果显示，转基因发根中BbRha的相对表达量最高达对照的46.5倍，相应酶活性提升约14.5倍；Rg1含量在转基因系中达到2.16至3.56 mg/g DW，约为对照的2.2倍，同时Re含量从对照的3.14至3.95 mg/g DW降至1.96至2.62 mg/g DW，表明外源酶在体内有效催化了Re向Rg1的转化。这一策略绕开对内源合成途径的复杂调控，通过一步脱糖反应直接提高目标产物积累，为借助微生物糖苷酶实现人参皂苷定向生物转化提供了可行路径。

创新点

首次在人参发根中异源表达细菌来源的α-L-鼠李糖苷酶，通过体内生物转化提高目标产物Rg1的含量，而不是通过调节内源合成途径。

研究对象（4）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Panax ginseng hairy root	Ginsenoside biosynthesis	BbRha	α-L-rhamnosidase	催化	来自Bifidobacterium breve的α-L-鼠李糖苷酶，异源表达后可水解人参皂苷Re的α-1,2鼠李糖苷键，生成Rg1。
Panax ginseng hairy root	Ginsenoside biosynthesis	SQS	—	催化	编码角鲨烯合酶，转录水平未受BbRha过表达影响。
Panax ginseng hairy root	Ginsenoside biosynthesis	SE	—	催化	编码角鲨烯环氧酶，转录水平未受BbRha过表达影响。
Panax ginseng hairy root	Ginsenoside biosynthesis	DDS	—	催化	编码达玛烯二醇合酶，转录水平未受BbRha过表达影响。

关键发现

过表达BbRha的转基因发根中，Rg1含量是对照的2.2倍，最高达3.6 mg/g DW（对照为1.16-1.64 mg/g DW，转基因系为2.16-3.56 mg/g DW）
α-L-鼠李糖苷酶活性在T8、T13、T22系中分别比对照高10、14.5和12倍
BbRha基因相对表达量为对照的36、46.5和37倍
转基因系中Re含量为1.96-2.62 mg/g DW，低于对照的3.14-3.95 mg/g DW。

研究结论

BbRha基因在人参发根中过表达能够选择性地提高人参皂苷Rg1的积累，同时降低Re含量，表明该酶在体内催化Re向Rg1的转化，为提高Rg1产量提供了有效策略。