Effects of over-expression of strictosidine synthase and tryptophan decarboxylase on alkaloid production by cell cultures of Catharanthus roseus
- 作者
- Camilo Canel, M. Inés Lopes-Cardoso, Serap Whitmer, Leslie van der Fits, Giancarlo Pasquali, Robert van der Heijden, J. Harry C. Hoge, Robert Verpoorte
- 单位
- Division of Pharmacognosy, Gorlaeus Laboratories, Leiden University; Institute of Molecular Plant Sciences, Clusius Laboratory, Leiden University
- 杂志
- Planta（1998）
- DOI
- 10.1007/s004250050338
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
长春花（Catharanthus roseus）细胞培养物中萜类吲哚生物碱（TIA）产量低，希望通过过表达关键酶提高产量。
研究策略
通过农杆菌介导转化，将CaMV 35S启动子驱动的Str和Tdc基因导入长春花细胞，建立转基因细胞系，并比较不同细胞系中酶活性和生物碱积累。
核心内容
该研究通过农杆菌介导转化，在长春花细胞中组成型过表达strictosidine synthase（Str）和tryptophan decarboxylase（Tdc）基因，系统评估了关键酶过表达对萜类吲哚生物碱（TIA）产量的影响。结果显示，过表达Str的S1和S10细胞系可积累超过200 mg·L⁻¹的TIA，其中S10最高达209 mg·L⁻¹（606 μmol·L⁻¹），添加loganin后可达280 mg·L⁻¹，而野生型通常低于50 mg·L⁻¹。STR活性在转基因系中为野生型的2.5～12倍，S10达1310±330 pkat·mg⁻¹。相比之下，Tdc过表达虽使TDC活性最高达241 pkat·mg⁻¹，但与产量提高无正相关，反而导致细胞生长不良，T21系补充loganin后仅产生不到20 μmol·L⁻¹的ajmalicine。研究表明，组成型过表达Str可显著促进TIA积累，但单独提高STR活性仍不足以保证高产，还需有利的表观遗传环境；过表达Tdc既不必要且可能有害，仅建议在诱导型启动子控制及充足色氨酸供应条件下使用。这一发现为长春花细胞培养生产TIA的代谢工程策略提供了重要参考。
创新点
在长春花细胞中组成型过表达STR和TDC并系统评估其对TIA生产的影响；发现过表达Str比Tdc更有利于提高产量，且高TDC活性对细胞生长不利。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus (L.) G. Don 细胞培养物 | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | Str | strictosidine synthase (STR) | 催化 | 催化色胺与裂环马钱素（secologanin）缩合生成strictosidine，TIA合成的关键步骤 |
| Catharanthus roseus (L.) G. Don 细胞培养物 | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | Tdc | tryptophan decarboxylase (TDC) | 催化 | 催化色氨酸脱羧生成色胺，连接初生代谢与次生代谢 |
关键发现
- S1和S10两个Str转基因细胞系可积累超过200 mg·L⁻¹的strictosidine衍生TIA（包括ajmalicine、catharanthine、serpentine和tabersonine），其中S10最高产量达209 mg·L⁻¹（606 μmol·L⁻¹），添加loganin后可达280 mg·L⁻¹
- 野生型培养物通常低于50 mg·L⁻¹。STR活性在Str转基因系中为野生型（63±42 pkat·mg⁻¹）的2.5～12倍，S10的STR活性为1310±330 pkat·mg⁻¹
- TDC活性在Tdc转基因系中最高达241 pkat·mg⁻¹（野生型14±9 pkat·mg⁻¹），但高TDC活性与产量提高无正相关，反而导致生长不良。双转基因ST1的STR和TDC活性分别为387±12和69±14 pkat·mg⁻¹。T21系虽积累色胺（5.7±0.7 mg·L⁻¹），但在补充loganin后仅产生<20 μmol·L⁻¹ ajmalicine。对照系未检出TIA。
研究结论
组成型过表达Str对提高TIA产量非常有利，但单独提高STR活性并不足以保证高产，还需要有利的表观遗传环境；过表达Tdc既不必要且可能有害，仅建议在诱导型启动子控制及充足色氨酸供应条件下使用。