高级醇 · 代谢工程文献库

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Engineering triterpene metabolism in tobacco

作者
Shuqin Wu, Zuodong Jiang, Chase Kempinski, S. Eric Nybo, Satrio Husodo, Robert Williams, Joe Chappell
单位
Plant Biology Program, Department of Plant and Soil Sciences, University of Kentucky
杂志
Planta（2012）
DOI
10.1007/s00425-012-1680-4
所属领域
代谢工程
关键词
Metabolic engineeringSqualeneTriterpenes
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解决的核心问题

如何通过代谢工程在烟草中高效积累三萜类化合物（以鲨烯为模型），并探索不同亚细胞区室（细胞质与叶绿体）及不同启动子（组成型与毛状体特异型）对产物积累和植物生长的影响

研究策略

将酵母截短鲨烯合酶（ySQS）与鸡法尼基二磷酸合酶（FPS）分别或共表达，通过添加或缺失叶绿体靶向信号将酶定位到细胞质或叶绿体，并使用组成型或毛状体特异型启动子驱动表达，在温室和田间评估鲨烯积累及农艺性状

研究路线图

100%
研究问题：如何在烟草中高效积累三萜（鲨烯）？
策略：SQS+FPS组合、定位细胞质/叶绿体、双启动子
关键改造1：截短酵母SQS（可溶）+鸡FPS 共表达
关键改造2：Rubisco小亚基转运肽（tp）导向叶绿体
关键改造3：CaMV35S/木薯组成型 vs 毛状体特异启动子
结果1：叶绿体靶向共表达SQS+FPS → T0平均63.9~101.8 μg/g，最高659.7 μg/g（野生型27-90倍）
结果2：T1代叶绿体靶向株鲨烯积累较对照高300-1000倍；田间组成型112.0、毛状体型79.9 μg/g
结果3：毛状体特异表达→生物量、叶面积、株高仅为对照20%/21%/37%，光合速率32%
结论：叶绿体区室化代谢为高效积累三萜的有效策略；组成型启动子温和且高效，优于毛状体特异型
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核心内容

该研究以烟草为底盘，通过代谢工程策略系统比较了不同亚细胞区室和启动子对三萜类化合物积累的影响。研究者将酵母截短鲨烯合酶（ySQS）与鸡法尼基二磷酸合酶（FPS）单独或共表达，利用叶绿体靶向信号将酶定位至叶绿体或细胞质，并以组成型或毛状体特异型启动子驱动，在温室及田间评估鲨烯积累和农艺性状。结果显示，仅表达SQS时叶片鲨烯含量约为野生型（3.5 μg/g鲜重）的2倍，而将SQS与FPS共表达并靶向叶绿体后，T0代平均积累达63.9 μg/g鲜重（组成型）至101.8 μg/g鲜重（毛状体特异型），最高达659.7 μg/g鲜重，为野生型的27至90倍；T1代积累量较对照提高300至1000倍。然而，毛状体特异表达虽能高效积累（田间79.9 μg/g鲜重），却导致严重生长抑制，生物量、叶面积和株高仅为非积累同胞株的20%、21%和37%，光合速率降至32%；组成型表达（田间112.0 μg/g鲜重）对生长影响温和且光合不受显著影响。研究表明将三萜代谢完全导向叶绿体可有效规避细胞质MVA途径的调控限制，显著提升积累效率，组成型启动子为植物生产高价值三萜提供了更均衡的策略。

创新点

发现将三萜生物合成途径完全导向叶绿体（非天然区室）可大幅提高鲨烯积累，而细胞质内源FPP仅导致有限提高；比较了组成型与毛状体特异启动子的不同影响，揭示毛状体特异表达导致严重生长抑制

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
烟草（Nicotiana tabacum，T1 1068品系） 甲羟戊酸（MVA）途径 ERG9（ySQS） 酵母鲨烯合酶 催化 截短C末端24个氨基酸的膜锚定域，使酶变为可溶形式
烟草（Nicotiana tabacum，T1 1068品系） 甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径 FPS 鸡法尼基二磷酸合酶 催化 催化DMAPP和IPP缩合生成FPP，为鲨烯合酶提供底物
烟草（Nicotiana tabacum，T1 1068品系） 萜类生物合成 tp 拟南芥Rubisco小亚基转运肽（前58个氨基酸） 区室化 用于将靶蛋白导入叶绿体，实现代谢途径的质体定位
烟草（Nicotiana tabacum，T1 1068品系） 萜类生物合成 Pca/Pcv/Pcbt/Pcyp16 无 调控 分别使用CaMV 35S组成型启动子、木薯脉花叶病毒组成型启动子、毛状体特异性的cembratrien-ol合酶启动子和CYP71D16启动子，后者附加强化子

关键发现

  1. 野生型烟草叶片鲨烯含量平均为3.5 μg/g鲜重
  2. 仅表达SQS时平均为6.7-7.6 μg/g fw（约2倍）
  3. 叶绿体靶向共表达SQS+FPS的T0代植物平均积累63.9 μg/g fw（组成型）至101.8 μg/g fw（毛状体特异型），最高达659.7 μg/g fw，为野生型的27-90倍
  4. T1代叶绿体靶向植物鲨烯积累较对照高300-1000倍
  5. 田间种植的组成型表达品系42积累112.0 μg/g fw，毛状体特异表达品系32积累79.9 μg/g fw
  6. 毛状体特异表达植物生物量、叶面积和株高分别仅为非积累同胞株的20%、21%和37%，光合速率降至32%
  7. 组成型表达品系42的植物叶面积、生物量和株高分别为非积累同胞株的66%、54%和68%，光合参数无显著影响

研究结论

将三萜代谢定向到叶绿体（非天然区室）可以显著提高鲨烯积累，有效规避细胞质MVA途径的调控限制；毛状体特异启动子虽然也能促进积累，但会导致严重的生长和生理缺陷，组成型启动子相对温和且依然高效，为植物生产高价值三萜提供了可行策略