Metabolic engineering of Nicotiana benthamiana for the increased production of taxadiene

作者: Md. Mohidul Hasan, Hyun-Soon Kim, Jae-Heung Jeon, Sung Hong Kim, BoKyung Moon, Jai-Young Song, Sang Hee Shim, Kwang-Hyun Baek
单位: School of Biotechnology, Yeungnam University, Gyeongbuk, Gyeongsan 712-749, Korea; Plant System Engineering Research Center, KRIBB, 125 Gwahangno, Daejeon, Yuseong-gu 305-806, Korea; Analysis Research Division, Daegu Center, Korea Basic Science Institute, Daegu 702-701, Korea; Department of Food and Nutrition, Chung-Ang University, Gyeonggi-do, Anseongsi 456-756, Korea; Samyang Genexbio Corporation, 730 Daedeokdaero, Daejeon, Yuseong-gu 305-717, Korea
杂志: Plant Cell Reports（2014）
DOI: 10.1007/s00299-014-1568-9
所属领域: 代谢工程
关键词: Metabolic engineeringMetabolic pathway shuntingMethyl jasmonateTaxadiene synthaseTaxol
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解决的核心问题

在烟草中异源生产紫杉二烯（taxadiene）并进一步提高产量，为紫杉醇的生物合成提供基础。

研究策略

将红豆杉（Taxus cuspidata）紫杉二烯合酶（TS）基因转化本氏烟（Nicotiana benthamiana），利用茉莉酸甲酯（MJ）诱导和病毒诱导基因沉默（VIGS）抑制类胡萝卜素合成途径中的PSY或PDS基因，以增加前体GGPP的积累。

研究路线图

100%

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核心内容

该研究将红豆杉的紫杉二烯合酶基因转化进入本氏烟，首次在该宿主中实现了紫杉二烯的异源合成。为提升产量，研究采用两种策略：一是利用茉莉酸甲酯诱导处理，二是通过病毒诱导基因沉默分别抑制类胡萝卜素合成途径中的PSY和PDS基因，以期将更多前体GGPP分流至目标产物。结果显示，T0代7个株系的紫杉二烯产量为4至18微克每克干重；T1纯合株系中最高产株系TSS-8在100微摩尔茉莉酸甲酯处理后产量从25微克每克提高到35微克每克。沉默PSY基因后，该株系产量进一步达到48微克每克干重，比对照提高约1.9倍；而沉默PDS基因反而使产量降低47.59%。该最高产量高于已报道的苔藓、拟南芥、人参根及普通番茄等体系，表明通过异源表达TS基因并结合代谢流重定向，本氏烟可作为紫杉醇代谢工程的有效平台，为后续紫杉醇前体的规模化生产奠定了基础。

创新点

首次在本氏烟中实现紫杉二烯的异源合成；通过VIGS沉默PSY基因实现代谢流重定向，使紫杉二烯产量显著提高。

研究对象（3）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Nicotiana benthamiana	紫杉醇生物合成途径（二萜类）	TS	taxadiene synthase	催化	异源表达催化GGPP环化生成taxadiene
Nicotiana benthamiana	类胡萝卜素生物合成途径	PSY	phytoene synthase	调控	通过VIGS沉默，减少GGPP向类胡萝卜素途径分流，增加紫杉二烯前体
Nicotiana benthamiana	类胡萝卜素生物合成途径	PDS	phytoene desaturase	调控	通过VIGS沉默，但沉默后使紫杉二烯产量下降，不适合作为调控靶点

关键发现

T0转化株中7个株系产紫杉二烯4-18 μg/g干重
T1纯合株系TSS-5、7、8、10分别产22、13、27、11 μg/g干重
最高产株系TSS-8经100 μM茉莉酸甲酯处理后产量从25 μg/g提高到35 μg/g（1.4倍）
VIGS沉默PSY基因后产量达48 μg/g，比对照提高93.58%（1.9倍）
沉默PDS基因则使产量降低47.59%。该产量高于已报道的苔藓（5 μg/g）、拟南芥（0.6 μg/g）、人参根（9.6 μg/g）和普通番茄（20 μg/g），但低于黄肉番茄突变体（160 μg/g）。

研究结论

通过异源表达TS基因在本氏烟中成功生产紫杉二烯，结合MJ处理和PSY基因沉默可显著提高产量，表明本氏烟是紫杉醇代谢工程和未来紫杉醇生产的优良宿主。