Increasing the synthesis of bioactive abietane diterpenes in Salvia sclarea hairy roots by elicited transcriptional reprogramming
- 作者
- M. C. Vaccaro, M. E. Alfieri, N. Malafronte, N. De Tommasi, A. Leone
- 单位
- Department of Pharmacy, University of Salerno, Via Giovanni Paolo II 134D, 80084 Fisciano, Italy
- 杂志
- Plant Cell Reports（2017）
- DOI
- 10.1007/s00299-016-2076-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
生物活性松香烷二萜（如aethiopinone）在植物中产量极低，难以满足对其作用机制研究和药物开发的需求，需要建立高效的生产平台。
研究策略
将毛状根技术与茉莉酸甲酯（MeJA）或冠菌素（Cor）诱导子处理相结合，通过比较不同诱导处理对aethiopinone产量和毛状根生长的影响，并结合定量RT-PCR分析MEP途径基因的转录水平，揭示转录重编程机制。
核心内容
本研究利用Salvia sclarea毛状根作为生产平台，通过茉莉酸甲酯（MeJA）与冠菌素（Cor）两种诱导子处理，系统评估了其对生物活性松香烷二萜（主要为aethiopinone）积累的影响，并结合定量RT-PCR解析了MEP途径基因的转录调控机制。结果显示，100 μM MeJA处理7天使aethiopinone含量达9.72 mg/g DW，较对照增加25倍；而0.1 μM Cor处理虽仅提升约7倍，但在28天长期培养中不抑制毛状根生长，最终使aethiopinone产量达105.34 mg/L（增加24倍），同时ferruginol和carnosic acid分别达到103.01和36.75 mg/L，总二萜产量高达410.97 mg/L。基因表达分析表明，DXS2、DXR、GGPPS1、CPPS1和HDR1的转录水平与aethiopinone含量高度相关（r²≥0.96），其中DXS2和CPPS1在诱导下上调达60倍。该工作首次在S. sclarea根中鉴定到carnosic acid，并证明低浓度Cor是更优的生产诱导剂，同时识别出多个高相关性的代谢工程靶点，为优化该二萜生产体系提供了明确的方向。
创新点
首次在Salvia sclarea根中鉴定到carnosic acid并可被诱导；证明低浓度Cor（0.1 μM）能在不抑制生长的条件下显著提高二萜产量；识别出多个与aethiopinone含量高度相关的代谢工程靶点（DXS2、DXR、GGPPS1、CPPS1、HDR1）。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Salvia sclarea hairy roots | 质体MEP-衍生异戊二烯途径 | DXS2 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 受MeJA和Cor诱导，与aethiopinone含量高度相关（r²=0.99） |
| Salvia sclarea hairy roots | 质体MEP-衍生异戊二烯途径 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 受MeJA和Cor诱导，与aethiopinone含量高度相关（r²=0.99） |
| Salvia sclarea hairy roots | 质体MEP-衍生异戊二烯途径 | CMS | 4-(胞苷5'-二磷酸)-2-C-甲基-D-赤藓醇合酶 | 催化 | 受诱导但变化倍数较低 |
| Salvia sclarea hairy roots | 质体MEP-衍生异戊二烯途径 | CMK | 4-(胞苷5'-二磷酸)-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶 | 催化 | 受MeJA或Cor诱导约6倍 |
| Salvia sclarea hairy roots | 质体MEP-衍生异戊二烯途径 | MCS | 2-C-甲基-D-赤藓醇-2,4-环二磷酸合酶 | 催化 | 受MeJA或Cor诱导约12倍 |
| Salvia sclarea hairy roots | 质体MEP-衍生异戊二烯途径 | HDS | 1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基-4-二磷酸合酶 | 催化 | MeJA诱导约35倍，Cor约5倍 |
| Salvia sclarea hairy roots | 质体MEP-衍生异戊二烯途径 | HDR1 | 1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基-4-二磷酸还原酶 | 催化 | MeJA诱导约30倍，Cor约8倍，与aethiopinone含量相关（r²=0.996） |
| Salvia sclarea hairy roots | 质体MEP-衍生异戊二烯途径 | GGPPS1 | 香叶基香叶基二磷酸合酶 | 催化 | MeJA诱导约20倍，Cor约3倍，与aethiopinone含量相关（r²=0.98） |
| Salvia sclarea hairy roots | 质体MEP-衍生异戊二烯途径 | CPPS1 | 柯巴基二磷酸合酶 | 催化 | MeJA诱导约60倍，Cor约8倍，与aethiopinone含量高度相关（r²=0.99） |
关键发现
- 在Salvia sclarea毛状根中，MeJA（100 μM）处理7天使aethiopinone含量达到9.72±0.08 mg/g DW（较对照0.38±0.07 mg/g DW增加25倍），产量为92.34±1.21 mg/L；Cor（0.1 μM）处理7天含量为2.57±0.15 mg/g DW（约7倍），产量为24.08±0.79 mg/L。28天持续处理中，MeJA使aethiopinone含量达20.36±0.18 mg/g DW但严重抑制生长，而Cor处理不抑制生长且最终产量为105.34±2.30 mg/L（约24倍增加）。此外，Cor处理28天得到ferruginol
- 01±1.80 mg/L（54倍增加）、carnosic acid
- 75±2.20 mg/L（18倍增加），总二萜产量达410.97±2.50 mg/L。基因表达分析显示DXS2、DXR、GGPPS1、CPPS1和HDR1的转录水平与aethiopinone含量高度相关（r²≥0.96），其中DXS2在MeJA和Cor诱导下分别上调约60倍和20倍，CPPS1分别上调约60倍和8倍。
研究结论
MeJA和Cor通过协调激活质体MEP途径多个生物合成基因的转录，增强了S. sclarea毛状根中aethiopinone及其他活性松香烷二萜的积累。Cor在低浓度下不抑制毛状根生长，更适合作为生产诱导剂。DXS2、DXR、GGPPS1、CPPS1和HDR1是潜在的代谢工程靶点，可用于进一步优化该生产体系。