Functional analysis of β-amyrin synthase gene in ginsenoside biosynthesis by RNA interference
- 作者
- Che Zhao, Tianhui Xu, Yanlong Liang, Shoujing Zhao, Luquan Ren, Qian Wang, Bo Dou
- 杂志
- Plant Cell Reports（2015）
- DOI
- 10.1007/s00299-015-1788-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
阐明β-香树脂醇合酶（βAS）基因在人参皂苷生物合成中的功能及其对达玛烷型和齐墩果烷型皂苷代谢流分配的影响。
研究策略
利用RNA干扰（RNAi）技术特异性沉默人参毛状根中的βAS基因，通过HPLC测定各类型人参皂苷和中间产物含量，通过qPCR分析皂苷生物合成关键基因的表达变化。
核心内容
利用RNA干扰技术特异沉默人参毛状根中β-香树脂醇合酶（βAS）基因，系统解析了其在人参皂苷生物合成中的功能。研究构建了多个βAS沉默的转基因毛状根系，HPLC检测显示，沉默株系中β-香树脂醇及齐墩果烷型皂苷R0含量显著下降，而达玛烷型皂苷Rb1、Rg1及总皂苷含量明显升高。qPCR分析表明，在代表性RNAi系R1中，达玛烯二醇合酶、原人参二醇合酶和原人参三醇合酶的表达分别上调至对照的1.71倍、1.69倍和1.66倍，而β-香树脂醇氧化酶表达下调至0.51倍，其余株系趋势一致。MeJA处理虽能上调βAS表达并增加R0含量，但无法完全抵消RNAi效应。上述结果表明，βAS在齐墩果烷型皂苷合成中起关键作用，其沉默可使代谢流更多转向达玛烷型皂苷分支，为通过代谢工程定向改造人参皂苷组成提供了有效靶点。
创新点
首次在人参毛状根中通过RNAi证实βAS在人参皂苷生物合成中的关键作用，发现βAS沉默不但降低齐墩果烷型皂苷R0，还显著提高达玛烷型皂苷和总皂苷含量，揭示了皂苷分支的代谢流调控机制。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Panax ginseng hairy roots（人参毛状根） | 人参皂苷生物合成途径 | PNY1 (AB009030); PNY2 (AB014057) | β-香树脂醇合酶（β-amyrin synthase） | 催化 | RNAi沉默靶标，催化2,3-氧化鲨烯生成β-香树脂醇，进入齐墩果烷型皂苷分支 |
| Panax ginseng hairy roots（人参毛状根） | 人参皂苷生物合成途径 | PgSS1 (AB115496) | 鲨烯合酶（squalene synthase） | 催化 | 催化法尼基焦磷酸生成鲨烯，位于皂苷生物合成上游 |
| Panax ginseng hairy roots（人参毛状根） | 人参皂苷生物合成途径 | PNA (AB265170) | 达玛烯二醇合酶（dammarenediol synthase） | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯生成达玛烯二醇，进入达玛烷型皂苷分支；RNAi系中表达上调 |
| Panax ginseng hairy roots（人参毛状根） | 人参皂苷生物合成途径 | CYP716A47 (JN604537) | 原人参二醇合酶（protopanaxadiol synthase, dammarenediol 12-hydroxylase） | 催化 | 催化达玛烯二醇C12位羟基化生成原人参二醇；RNAi系中表达上调 |
| Panax ginseng hairy roots（人参毛状根） | 人参皂苷生物合成途径 | CYP716A53V2 (JX036031) | 原人参三醇合酶（protopanaxatriol synthase, protopanaxadiol 6-hydroxylase） | 催化 | 催化原人参二醇C6位羟基化生成原人参三醇；RNAi系中表达上调 |
| Panax ginseng hairy roots（人参毛状根） | 人参皂苷生物合成途径 | CYP716A52v2 (JX036032) | β-香树脂醇氧化酶（β-amyrin 28-oxidase） | 催化 | 催化β-香树脂醇C28位氧化，参与齐墩果烷型皂苷合成；RNAi系中表达下调 |
| Panax ginseng hairy roots（人参毛状根） | 甾醇生物合成途径 | CAS (AB009029) | 环阿屯醇合酶（cycloartenol synthase） | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯生成环阿屯醇，进入甾醇生物合成分支；表达无明显变化 |
关键发现
- RNAi系中βAS基因（PNY1、PNY2）表达显著下调
- β-香树脂醇和齐墩果烷型皂苷R0含量降低，而总皂苷和达玛烷型皂苷Rb1、Rg1含量升高。在RNAi系R1中，达玛烯二醇合酶、原人参二醇合酶和原人参三醇合酶的表达分别上调至对照的1.71倍、1.69倍和1.66倍，β-香树脂醇氧化酶表达下调至0.51倍
- R2~R5系也呈现类似趋势。此外，MeJA处理可上调βAS表达并增加R0含量，但无法完全抵消RNAi效果。
研究结论
βAS在齐墩果烷型人参皂苷合成中起关键作用，并影响代谢流向达玛烷型皂苷分配；RNAi沉默βAS可有效提高达玛烷型皂苷和总皂苷含量，为通过代谢工程改造人参皂苷组成提供了新靶点。