Both the mevalonate and the non-mevalonate pathways are involved in ginsenoside biosynthesis
- 作者
- Shoujing Zhao, Le Wang, Li Liu, Yanlong Liang, Yao Sun, Jianjun Wu
- 杂志
- Plant Cell Reports（2014）
- DOI
- 10.1007/s00299-013-1538-7
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明人参皂苷生物合成过程中，胞质中的甲羟戊酸（MVA）途径和质体中的非甲羟戊酸（MEP）途径各自的作用及相互关系。
研究策略
利用MVA途径特异性抑制剂mevinolin（MEV）和MEP途径特异性抑制剂fosmidomycin（FOS）分别及联合处理人参毛状根，通过检测毛状根生长、人参皂苷积累、关键酶（HMGR和DXR）活性及达玛烯二醇合酶基因表达，分析两条途径对人参皂苷生物合成的贡献；同时使用甾醇合成抑制剂miconazole（MIC）处理以提高人参皂苷产量。
研究路线图
核心内容
该研究通过特异性抑制剂策略解析了人参皂苷生物合成中MVA与MEP两条IPP供给途径的贡献。用人参毛状根为材料，分别及联合施加MVA途径抑制剂mevinolin（MEV）和MEP途径抑制剂fosmidomycin（FOS），并检测毛状根生长、皂苷积累、关键酶活性及达玛烯二醇合酶基因表达。结果显示，MEV使总皂苷积累降低57.94%，FOS降低42.17%，表明两条途径均参与合成且MVA贡献更大；两条途径同时抑制时皂苷几乎完全不可检测，而单途径抑制时另一条可补偿维持生长。此外，MEV和FOS分别显著抑制HMGR和DXR活性，并下调达玛烯二醇合酶基因表达。进一步以甾醇合成抑制剂MIC处理24天，皂苷积累提升至对照两倍以上，同时植物甾醇含量下降。该工作明确人参皂苷合成依赖MVA和MEP双途径，且抑制甾醇分支可有效导向代谢流提升目标产物产量，为皂苷类天然产物的代谢工程改造提供了直接策略依据。
创新点
['首次提供直接证据表明人参皂苷生物合成同时依赖MVA和MEP两条IPP合成途径，且MVA途径贡献更大。', '发现当一条途径被抑制时，另一条途径可补偿性保证毛状根正常生长，但两条途径同时被抑制则彻底阻断人参皂苷合成。', '发现甾醇合成抑制剂MIC可使人参皂苷积累水平提高至对照的两倍以上。']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 人参毛状根 (Panax ginseng hairy root) | 甲羟戊酸途径 (MVA) | — | HMG-CoA还原酶 (HMGR) | 催化 | MVA途径的限速酶，被mevinolin特异性抑制，酶活性分析显示其活性显著下降。 |
| 人参毛状根 (Panax ginseng hairy root) | 非甲羟戊酸途径 (MEP) | — | DXP还原异构酶 (DXR) | 催化 | MEP途径的关键酶，被fosmidomycin特异性抑制，酶活性分析显示其活性显著下降。 |
| 人参毛状根 (Panax ginseng hairy root) | 人参皂苷生物合成途径 | dammarenediol synthase (GenBank: AB265170) | 达玛烯二醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯环化生成达玛烯二醇，是人参皂苷骨架合成的关键酶，MEV或FOS处理后其基因表达下调。 |
| 人参毛状根 (Panax ginseng hairy root) | 甾醇合成途径 | — | 甾醇14α-脱甲基酶 (sterol 14α-demethylase) | 催化 | 被miconazole抑制，导致植物甾醇含量下降，同时促进人参皂苷积累，可能与代谢流重新分配或细胞膜通透性改变有关。 |
关键发现
- MEV处理使人参皂苷总积累量降低57.94%，FOS处理降低42.17%
- 两种抑制剂同时存在时人参皂苷几乎完全不可检测。HPLC分析显示，MEV和FOS均显著降低人参皂苷Rb1、Re和Rg1的含量（P≤0.05）。MEV处理显著抑制HMGR活性，FOS处理显著抑制DXR活性。达玛烯二醇合酶基因在MEV或FOS处理后表达下调（以对照组为参照，处理组相对表达量通过2^-ΔΔCt计算并取负值展示）。MIC处理24天后，人参皂苷积累水平达到对照的两倍以上，同时植物甾醇含量显著下调（对照组甾醇水平低于1 mg/g，而人参皂苷上调约15 mg/g）。
研究结论
人参皂苷生物合成依赖于MVA和MEP两条IPP合成途径，其中MVA途径发挥更主要的作用；两条途径在部分抑制时可相互补偿，但完全同时阻断会彻底终止人参皂苷合成。抑制甾醇合成途径（如使用MIC）可以有效提高人参皂苷产量，该策略可能通过增加细胞通透性或代谢流重新分配实现。