Enhanced expression of ginsenoside biosynthetic genes and in vitro ginsenoside production in elicited Panax sikkimensis (Ban) cell suspensions
- 作者
- Tanya Biswas, Shiv Shanker Pandey, Deepamala Maji, Vikrant Gupta, Alok Kalra, Manju Singh, Archana Mathur, A. K. Mathur
- 单位
- Plant Biotechnology Division, Council of Scientific & Industrial Research, Central Institute of Medicinal & Aromatic Plants PO CIMAP, Lucknow 226015, India; Microbiology and Entomology Division, Council of Scientific & Industrial Research, Central Institute of Medicinal & Aromatic Plants PO CIAP, Lucknow 226015, India; Analytical Chemistry Division, Council of Scientific & Industrial Research, Central Institute of Medicinal & Aromatic Plants PO ClMAP, Lucknow 226015, India
- 杂志
- Protoplasma（2018）
- DOI
- 10.1007/s00709-018-1219-z
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
印度人参Panax sikkimensis细胞悬浮培养中人参皂苷产量低，难以满足商业化需求，需要开发有效的诱导策略来提高目标代谢物产量。
研究策略
利用细菌（Serratia marcescens SD21、Bacillus subtilis FL11）和真菌（Trichoderma atroviridae TA、T. harzianum TH）的培养滤液作为生物诱导子，以1.25%和2.5% v/v浓度处理细胞悬浮培养1周和3周，测定生物量、人参皂苷及花青素含量，并通过qRT-PCR分析关键生物合成基因表达变化。
研究路线图
核心内容
该研究以印度人参（Panax sikkimensis）细胞悬浮培养体系为对象，系统评估了四种生物诱导子——粘质沙雷氏菌、枯草芽孢杆菌、深绿木霉和哈茨木霉的培养滤液，在不同浓度（1.25%和2.5% v/v）及处理时间（1周和3周）下对人参皂苷和花青素积累的影响。结果显示，2.5%哈茨木霉滤液处理1周使总人参皂苷产量达222.2 mg/L，为对照的3.2倍；2.5%粘质沙雷氏菌处理则使总皂苷达189.3 mg/L，其中Rg2产量达31 mg/L，为对照的10倍。qRT-PCR分析揭示，哈茨木霉处理下PPTS基因表达上调20至23倍，同时PPDS、SQS和FPS也显著上调，表明原人参三醇型皂苷产量的提升主要由PPTS转录水平的激活驱动。然而，所有诱导处理均未能提高花青素含量，且枯草芽孢杆菌处理反而因DDS下调导致皂苷产量降至59.4 mg/L。该研究首次证实哈茨木霉培养滤液是高效的生物诱导子，为通过elicitation策略提升人参皂苷商业化生产提供了可行方案，但花青素与皂苷的协同诱导条件仍有待进一步探索。
创新点
首次系统评估了多种生物诱导子对P. sikkimensis细胞悬浮培养中人参皂苷和花青素共积累的影响；发现哈茨木霉培养滤液可显著提升总皂苷产量至222.2 mg/L；揭示PPTS基因表达上调是原人参三醇型皂苷增产的关键分子机制。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Panax sikkimensis细胞悬浮培养 | 甲羟戊酸途径/人参皂苷生物合成途径 | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 编码法尼基焦磷酸合酶，催化IPP→FPP；在TH 2.5%处理下表达上调显著但相对较低 |
| Panax sikkimensis细胞悬浮培养 | 甲羟戊酸途径/人参皂苷生物合成途径 | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 催化FPP→角鲨烯，是碳流分支点酶；TH 2.5%处理后表达显著上调 |
| Panax sikkimensis细胞悬浮培养 | 甲羟戊酸途径/人参皂苷生物合成途径 | DDS | 达玛烯二醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯环化为达玛烯二醇，是限速酶；FL11 1.25%处理下调至0.73倍导致皂苷减产 |
| Panax sikkimensis细胞悬浮培养 | 甲羟戊酸途径/人参皂苷生物合成途径 | PPDS | 原人参二醇合酶 | 催化 | 细胞色素P450酶，催化达玛烯二醇转化为原人参二醇；TH 2.5%处理后表达显著上调 |
| Panax sikkimensis细胞悬浮培养 | 甲羟戊酸途径/人参皂苷生物合成途径 | PPTS | 原人参三醇合酶 | 催化 | 细胞色素P450酶，催化原人参二醇转化为原人参三醇；TH 2.5%处理后表达上调20-23倍，为最高上调基因 |
关键发现
- 5% v/v T. harzianum培养滤液处理1周后，总人参皂苷产量达222.2 mg/L，为对照的3.2倍
- 5% v/v S. marcescens培养滤液处理1周后总皂苷产量为189.3 mg/L，其中Rg2产量达31 mg/L，为对照的10倍
- 25% v/v B. subtilis处理导致总皂苷产量下降至59.4 mg/L（对照73.1 mg/L），与DDS基因下调至0.73倍有关；qRT-PCR显示TH
- 5%处理下PPTS表达上调20-23倍，PPDS、SQS、FPS也有显著上调；所有诱导处理均未能有效提高花青素含量。
研究结论
T. harzianum培养滤液是P. sikkimensis细胞悬浮培养中人参皂苷生物合成的有效诱导子，通过上调PPTS等关键基因表达实现原人参三醇型皂苷的高效积累；但现有诱导子无法协同提高花青素，需进一步筛选能同时诱导两种代谢物的条件。