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Anti-cancer labdane diterpenoids from adventitious roots of Andrographis paniculata: augmentation of production prospect endowed with pathway gene expression

作者
Sailendra Singh, Pallavi Pandey, Sumit Ghosh, Suchitra Banerjee
单位
Department of Plant Biotechnology, Central Institute of Medicinal and Aromatic Plants (CSIR-CIMAP), Lucknow, Uttar Pradesh 226015, India
杂志
Protoplasma（2018）
DOI
10.1007/s00709-018-1211-7
所属领域
代谢工程
关键词
Adventitious rootsAndrographis paniculataAndrographolideBiosynthetic pathway genesNeoandrographolideqRT-PCR
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解决的核心问题

解决穿心莲中抗癌二萜类化合物穿心莲内酯(AD)和新穿心莲内酯(NAD)产量不足的问题，通过建立不定根培养体系提高产量并阐明其分子机制。

研究策略

通过优化植物生长激素种类与浓度、培养基形态及培养时间，建立穿心莲愈伤组织和不定根培养体系；利用HPLC定量AD和NAD含量，结合qRT-PCR分析9个关键途径基因的表达模式。

研究路线图

100%
研究目标：解决穿心莲内酯(AD)和新穿心莲内酯(NAD)产量不足问题
建立不定根/愈伤组织培养体系，优化激素(IBA/NAA)与培养基条件
关键节点：首次在不定根/愈伤组织中同时检测到NAD和AD
HPLC定量：AD最高8.12 mg/g DW（P+IBA） NAD最高1.21 mg/g DW（不定根）
核心结论：不定根培养体系高效生产AD/NAD，MVA途径主导二萜生物合成
qRT-PCR分析9个关键基因：HMGR1/2上调，DXS1/2和HDR1/2显著下调
策略细化：优化培养时间(4周/8周)与激素浓度(0.5 mg/L IBA)
机制阐明：MVA途径基因(HMGR1/2/GGPS1)激活，MEP途径抑制
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核心内容

该研究以穿心莲为材料，通过优化植物生长激素种类与浓度、培养基形态及培养时间，建立了愈伤组织和不定根培养体系，旨在提高抗癌二萜类化合物穿心莲内酯（AD）和新穿心莲内酯（NAD）的产量。采用HPLC定量两种化合物的含量，并结合qRT-PCR分析9个关键途径基因的表达模式。结果显示，与对照叶片相比，不定根中AD和NAD含量分别提高2.61倍和8.8倍；在含0.5 mg/L IBA的P培养基中培养4周，AD含量达8.12 mg/g DW，较N培养基8周产量高1.32倍，NAD最高为1.21 mg/g DW，比愈伤组织高3.67倍。基因表达分析表明，MVA途径的HMGR1和HMGR2分别上调1.91和2.18倍，GGPS1上调2.41倍，而MEP途径的DXS1和HDR2显著下调11.11倍和14.29倍。该研究首次在不定根中同时检测到AD和NAD，证实MVA途径在二萜生物合成中起主导作用，为通过不定根培养体系实现AD和NAD的高效生产提供了分子依据。

创新点

首次在不定根和愈伤组织中同时检测到NAD和AD的产生；通过添加IBA显著提高AD/NAD产量；揭示MVA途径在不定根中比MEP途径更关键。

研究对象（9）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Andrographis paniculata 不定根 MVA途径 HMGR1 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶1 催化 在P培养基中较对照叶片上调1.91倍
Andrographis paniculata 不定根 MVA途径 HMGR2 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶2 催化 在P培养基中较对照叶片上调2.18倍
Andrographis paniculata 不定根 MEP途径 DXS1 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶1 催化 较对照叶片下调11.11倍
Andrographis paniculata 不定根 MEP途径 DXS2 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶2 催化 较对照叶片下调38.46倍
Andrographis paniculata 不定根 MEP途径 HDR1 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶1 催化 较对照叶片下调7.69倍
Andrographis paniculata 不定根 MEP途径 HDR2 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶2 催化 较对照叶片下调14.29倍
Andrographis paniculata 不定根 二萜生物合成（中心途径） GGPS1 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶1 催化 在P培养基中较对照叶片上调2.41倍
Andrographis paniculata 不定根 二萜生物合成（中心途径） GGPS2 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶2 催化 较GGPS1表达量低，但相对N培养基上调2.5倍
Andrographis paniculata 不定根 异戊烯基焦磷酸生物合成 IPP 异戊烯基焦磷酸合成酶 催化 在P培养基中较N培养基上调1.12倍

关键发现

  1. 与对照叶片相比，不定根中AD和NAD含量分别提高2.61倍和8.8倍
  2. 在P培养基（N+0.5 mg/L IBA）中培养4周，AD含量达8.12±0.18 mg/g DW，比N培养基8周产量高1.32倍
  3. NAD在不定根中最高为1.21±0.03 mg/g DW，比愈伤组织高3.67倍
  4. 不定根最大生长指数为1501.05±19.5
  5. qRT-PCR显示HMGR1和HMGR2分别上调1.91和2.18倍，GGPS1上调2.41倍，而DXS1/2和HDR1/2显著下调（如DXS1下调11.11倍、HDR2下调14.29倍）。

研究结论

穿心莲不定根培养可作为AD和NAD的高效生产体系，其中MVA（胞质）途径在二萜生物合成中起主导作用，MEP（质体）途径贡献较小；通过优化培养条件和基因表达调控可满足市场需求。