Production of mono- and sesquiterpenes in Camelina sativa oilseed
- 作者
- Jörg M. Augustin, Yasuhiro Higashi, Xiaohong Feng, Toni M. Kutchan
- 单位
- Donald Danforth Plant Science Center, 975 N Warson Road, St. Louis, MO 63132, USA; RIKEN Center for Sustainable Resource Science, Tsurumi, Yokohama, Kanagawa, Japan
- 杂志
- Planta（2015）
- DOI
- 10.1007/s00425-015-2367-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探讨亚麻荠（Camelina sativa）油籽作为低投入植物生产平台，通过代谢工程合成并储存高价值单萜(4S)-柠檬烯和倍半萜(+)-δ-杜松烯的可行性。
研究策略
将薄荷的香叶基二磷酸合酶和柠檬烯合酶、棉花的杜松烯合酶、拟南芥的法尼基二磷酸合酶及DXS在亚麻荠种子中种子特异性表达，通过添加豌豆RuBisCO小亚基转运肽将酶靶向质体，比较细胞质与质体定位效果，并过表达DXS增强MEP途径前体供给，同时评估融合蛋白策略。
核心内容
该研究以亚麻荠油籽为植物生产平台，通过种子特异性表达异源萜类合成酶，系统评估了在种子中合成并储存高价值单萜(4S)-柠檬烯和倍半萜(+)-δ-杜松烯的可行性。研究比较了将酶靶向质体或细胞质的效果，并过表达MEP途径限速酶DXS以增强前体供给。结果显示质体定位显著优于细胞质定位：质体定位的柠檬烯产量达1.5-3 mg/g种子，而细胞质定位仅为0.065 mg/g；过表达DXS后进一步增至最高7 mg/g。倍半萜杜松烯在质体定位下达2.4-3.0 mg/g，过表达DXS后升至4.5-5 mg/g。冷榨油中柠檬烯和杜松烯含量分别达29.06和21.99 mg/ml，且含萜油的热值显著高于野生型油。萜类在发育期和成熟种子中均表现出良好储存稳定性，挥发损失极低，且对种子总油含量和脂肪酸组成影响不大。该研究证实亚麻荠种子可作为萜类生物合成与储存的有效平台，质体定位和DXS过表达是提升产量的关键策略，但当前产量仍需进一步优化方能满足工业生物燃料需求。
创新点
['首次在亚麻荠油籽中实现了单萜和倍半萜的异源生物合成', '证实质体定位相比细胞质定位可显著提高萜类产量', '过表达DXS进一步提高了萜类积累水平', '系统评估了萜类在种子中的储存稳定性、挥发损失以及对油品质和热值的影响']
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Camelina sativa (亚麻荠) | 单萜生物合成（MEP途径） | GDS (GSS/GSL) | Geranyl diphosphate synthase | 催化 | 来自薄荷，异源二聚体，催化DMAPP和IPP缩合生成GPP |
| Camelina sativa (亚麻荠) | 单萜生物合成（MEP途径） | LS | (4S)-Limonene synthase | 催化 | 来自薄荷，催化GPP环化为(4S)-柠檬烯 |
| Camelina sativa (亚麻荠) | 倍半萜生物合成（质体MEP途径） | FDS | Farnesyl diphosphate synthase | 催化 | 来自拟南芥，催化IPP和DMAPP生成FPP |
| Camelina sativa (亚麻荠) | 倍半萜生物合成（质体MEP途径） | CDNS | (+)-δ-Cadinene synthase | 催化 | 来自棉花，催化FPP环化为(+)-δ-杜松烯 |
| Camelina sativa (亚麻荠) | MEP途径 | DXS | 1-Deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | 来自拟南芥，催化MEP途径第一步，过表达以增加质体前体IPP/DMAPP供给 |
| Camelina sativa (亚麻荠) | 亚细胞定位 | TP | Pisum sativum Rubisco small subunit transit peptide | 区室化 | 来自豌豆，引导重组酶进入质体，实现酶的特异性定位 |
关键发现
- 质体定位的TPGDS TPLS构建使(4S)-柠檬烯产量达1.5-3 mg/g种子，而细胞质定位仅达0.065 mg/g
- 过表达DXS后进一步增至1.5-7 mg/g种子（最佳品系）。倍半萜(+)-δ-杜松烯在质体定位（TPFDS TPCDNS）下达2.4-3.0 mg/g，细胞质定位仅0.4-0.5 mg/g，过表达DXS后达4.5-5 mg/g。冷榨油中(4S)-柠檬烯含量为29.06±0.61 mg/ml（约3.2 wt%），(+)-δ-杜松烯含量为21.99±0.14 mg/ml（约2.4 wt%）。两种含萜油的热值分别提高到39.78±0.02和39.76±0.03 kJ/g，显著高于野生型油（39.64±0.01 kJ/g）。发育期间(4S)-柠檬烯挥发损失仅占成熟种子积累量的0.24%和0.84%，成熟种子无挥发损失。单萜糖苷总量估计为1.54±0.54 mg/g，约为总柠檬烯的1/3。种子总油含量与野生型相比变化不大（TPGDS TPLS DXS为29.03±1.78 wt% vs 野生型30.55±2.76 wt%
- TPFDS TPCDNS DXS为31.80±2.35 wt% vs 野生型34.66±1.52 wt%），脂肪酸组成仅略有改变。
研究结论
亚麻荠种子适宜作为萜类生物合成的平台，质体定位和DXS过表达是提高产量的关键因素，萜类在种子中稳定储存且能显著提高油的热值，但当前产量尚不足以满足工业生物燃料需求，需进一步优化代谢通量。