高级醇 · 代谢工程文献库

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Sage in vitro cultures: a promising tool for the production of bioactive terpenes and phenolic substances

作者
Andrey Marchev, Christiane Haas, Sibylle Schulz, Vasil Georgiev, Juliane Steingroewer, Thomas Bley, Atanas Pavlov
单位
Laboratory of Applied Biotechnologies, Department of Industrial Microbiology, The Stephan Angeloff Institute of Microbiology, Bulgarian Academy of Sciences, 139 Ruski Blvd., 4000 Plovdiv, Bulgaria; Institute of Food Technology and Bioprocess Engineering, Technische Universitat Dresden, 01062 Dresden, Germany; Center for Viticulture and Small Fruit Research, Florida A&M University, 6505 Mahan Drive, Tallahassee, FL 32317, USA; Department of Organic Chemistry and Microbiology, University of Food Technologies, 26 Maritza Blvd., 4002 Plovdiv, Bulgaria
杂志
Biotechnology Letters（2013）
DOI
10.1007/s10529-013-1350-z
所属领域
代谢工程
关键词
ElicitationHairy rootsManipulation of metabolic pathwaysPlant cell culturesSage Salvia spp.Secondary metabolites
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解决的核心问题

鼠尾草属植物次生代谢产物（尤其是萜类和酚类）具有重要药用价值，但野外资源因环境、生态和气候限制而短缺，难以满足需求。

研究策略

综述鼠尾草属体外培养系统（细胞悬浮培养、毛状根培养）生产生物活性萜类和酚类物质的研究进展，并总结通过诱导子处理、基因工程代谢途径改造、毛状根-细菌共培养以及新型在线监测等手段提高产物产量的策略。

研究路线图

100%
鼠尾草属次生代谢物药用价值高，但野生资源短缺
建立鼠尾草属体外培养体系（细胞悬浮、毛状根）
产物产量显著提升：迷迭香酸↑4.3~5倍、丹参酮↑4.7~18倍、二萜↑9倍
结论：体外培养系统潜力巨大，需综合多种策略推动商业化
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核心内容

本文系统综述了鼠尾草属体外培养体系（以毛状根和细胞悬浮培养为主）生产萜类和酚类药用次生代谢物的研究进展。针对野生资源短缺的问题，研究重点梳理了多种增产策略：包括茉莉酸甲酯（浓度为125 μM诱导30天使二萜产量达330 mg/L）、稀土离子La3+处理（丹参酮产量提高约50%至27 mg/g）、酵母提取物与山梨醇联合诱导（丹参酮体积产量达27.8 mg/L，重复补料后可提升至144 mg/L）等诱导子策略；通过共表达TAT与HPPR基因使迷迭香酸和硫辛酸产量分别提高4.3倍和3.2倍，共表达SmHMR与SmGGPPS使丹参酮产量增加4.7倍等基因工程策略；以及毛状根与蜡状芽孢杆菌共培养（丹参酮积累提高12–18倍）、两相培养与临时浸没系统结合、RAMOS和漆酶生物传感器在线监测等新型手段。关键数据显示，S. officinalis毛状根迷迭香酸积累量达31 mg/g DW，S. sclarea毛状根总二萜含量比田间根高9倍。这些结果表明，综合运用多层面策略可显著提升目标产物产量，体外培养系统具备商业化开发潜力，但仍需深化对生物合成调控机制的理解以稳定高效生产。

创新点

系统总结了提高鼠尾草体外培养次生代谢物产量的多种策略，包括组合诱导、基因工程'推-拉'策略、毛状根与芽孢杆菌共培养、两相培养与临时浸没系统结合，以及RAMOS和漆酶生物传感器等在线监测技术。

研究对象（9）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Salvia miltiorrhiza hairy roots 丹参酮生物合成（甲羟戊酸途径） SmHMR 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 催化 与SmGGPPS共表达使丹参酮产量提高4.7倍
Salvia miltiorrhiza hairy roots 丹参酮生物合成（下游途径） SmGGPPS 香叶基香叶基二磷酸合酶 催化 下游关键酶，与SmHMR共表达促进丹参酮积累
Salvia miltiorrhiza hairy roots 丹参酮生物合成（甲基赤藓醇磷酸途径） SmDXS 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 催化 上游MEP途径酶，其过表达对丹参酮的推动作用强于SmHMR
Salvia miltiorrhiza hairy roots 酚酸（迷迭香酸、硫辛酸）生物合成（酪氨酸来源途径） TAT 酪氨酸转氨酶 催化 与HPPR共表达使迷迭香酸和硫辛酸分别增加4.3倍和3.2倍
Salvia miltiorrhiza hairy roots 酚酸（迷迭香酸、硫辛酸）生物合成 HPPR 4-羟苯丙酮酸还原酶 催化 与TAT共表达显著提高酚酸产量
Salvia miltiorrhiza hairy roots 酚酸生物合成（苯丙烷途径） C4H 肉桂酸4-羟化酶 催化 苯丙烷途径基因，过表达可提高迷迭香酸和硫辛酸产量
Salvia miltiorrhiza hairy roots 酚酸生物合成（苯丙烷途径） PAL 苯丙氨酸解氨酶 催化 茉莉酸甲酯诱导下PAL转录水平升高，Ag+和酵母提取物处理则降低PAL活性
Salvia miltiorrhiza cell suspension 酚酸（咖啡酸）生物合成 PAL 苯丙氨酸解氨酶 催化 水杨酸诱导后PAL活性升高与咖啡酸积累相关
Salvia miltiorrhiza hairy roots 茉莉酸信号途径 AOC 丙二烯氧化物环化酶 催化 过表达AOC促进丹参酮和酚酸产生

关键发现

  1. S. officinalis毛状根迷迭香酸积累量达31 mg/g DW，显著高于成熟植株根、体外芽或细胞悬浮培养
  2. S. sclarea毛状根总二萜含量比两年生田间根高9倍，其中aethiopinone占总二萜的48%（田间根仅8%）
  3. S. officinalis毛状根在营养喷雾生物反应器中生物量比摇瓶高1.6倍，迷迭香酸比成熟植株高5倍
  4. S. sclarea毛状根用125 μM茉莉酸甲酯诱导30天后二萜产量最大达330 mg/L
  5. La3+处理使S. miltiorrhiza毛状根丹参酮产量增加约50%（达27 mg/g）
  6. 酵母提取物多糖与山梨醇联合诱导毛状根丹参酮体积产量达27.8 mg/L，重复补料和诱导后提高至144 mg/L
  7. 共表达TAT与HPPR基因使迷迭香酸和硫辛酸产量分别增加4.3倍和3.2倍
  8. 共表达SmHMR与SmGGPPS使丹参酮产量增加4.7倍
  9. 接种Bacillus cereus使丹参酮积累提高12-18倍，优化后体积产量提高12倍。

研究结论

鼠尾草体外培养系统具有生产药用次生代谢物的巨大潜力，但需要更深入地理解其生物合成调控机制，并综合运用基因工程、诱导子、两相培养、共培养及现代监测技术来提高和稳定产量，以推动商业化应用。