Effect of Sodium Nitroprusside on Growth and Terpenoid Indole Alkaloid Production in Catharanthus roseus Hairy Root Cultures
- 作者
- Mai Li, Christie A. M. Peebles, Jacqueline V. Shanks, Ka-Yiu San
- 单位
- Dept. of Bioengineering, Rice University, Houston, TX 77030; Dept. of Chemical and Biological Engineering, Iowa State University, Ames, IA 50011; Dept. of Chemical and Biomolecular Engineering, Rice University, Houston, TX 77030
- 杂志
- Biotechnology Progress（2011）
- DOI
- 10.1002/btpr.605
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究一氧化氮（NO）供体硝普钠（SNP）对长春花（Catharanthus roseus）毛状根生长和萜类吲哚生物碱（TIA）产生的影响，探索NO在毛状根TIA代谢网络中的调控作用。
研究策略
以不同浓度（0.1、1、10 mM）的SNP在培养第0天或第12天处理LBE-6-1毛状根，监测不同时间点的生物碱产量和TIA通路相关基因的mRNA表达水平。
研究路线图
核心内容
以不同浓度硝普钠（SNP）作为一氧化氮供体，在培养第0天或第12天处理长春花毛状根系LBE-6-1，系统考察其对生长及萜类吲哚生物碱（TIA）代谢的影响。结果显示，0.1 mM SNP对毛状根生长无显著影响，而1 mM明显抑制、10 mM近乎完全抑制生长。低浓度（0.1 mM）SNP在两种处理时间下均能显著提升多种生物碱的积累：第0天处理显著增加蛇根碱、长春质碱、阿吗碱、洛柯宁碱和他波宁的产量，第12天处理则于第21天显著提高蛇根碱、长春质碱、阿吗碱、霍哈梅里辛碱、洛柯宁碱和他波宁，至第28天部分恢复。然而，mRNA水平检测发现多种TIA通路关键基因（如TDC、ASA、STR、ORCA3、ZCT1、Crgbfl）的转录水平在处理后显著下降，其中第12天处理后ORCA3转录水平降至原来的1/7，而G10H表达显著上升。这种生物碱积累增加而通路基因转录下调的分离现象提示，一氧化氮可能主要通过转录后或翻译后机制调控TIA代谢，其在毛状根中的作用模式与细胞悬浮培养存在差异，这也为利用NO供体定向强化特定生物碱生产提供了新的策略参考。
创新点
首次在长春花毛状根中系统研究SNP对TIA代谢的影响，发现低浓度SNP可促进多种生物碱积累但降低通路基因转录水平，与细胞悬浮培养结果不同。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus hairy root line LBE-6-1 | 萜类吲哚生物碱生物合成途径 | G10H | 香叶醇10-羟化酶 | 催化 | 表达水平在SNP处理后显著上升 |
| Catharanthus roseus hairy root line LBE-6-1 | 萜类吲哚生物碱生物合成途径 | TDC | 色氨酸脱羧酶 | 催化 | 第0天处理时第23天mRNA水平显著下降 |
| Catharanthus roseus hairy root line LBE-6-1 | 萜类吲哚生物碱生物合成途径 | ASA | 邻氨基苯甲酸合酶 | 催化 | 第0天处理时第23天mRNA水平显著下降 |
| Catharanthus roseus hairy root line LBE-6-1 | 萜类吲哚生物碱生物合成途径 | STR | 异胡豆苷合酶 | 催化 | 在两种处理条件下mRNA水平均下降 |
| Catharanthus roseus hairy root line LBE-6-1 | 萜类吲哚生物碱生物合成途径 | ORCA3 | AP2结构域DNA结合蛋白 | 调控 | 第12天处理后第9天转录水平降至1/7 |
| Catharanthus roseus hairy root line LBE-6-1 | 萜类吲哚生物碱生物合成途径 | ZCT1 | 锌指DNA结合蛋白 | 调控 | 第21天转录水平约为第28天的2倍 |
| Catharanthus roseus hairy root line LBE-6-1 | 萜类吲哚生物碱生物合成途径 | Crgbfl | G盒结合因子 | 调控 | 两种处理条件下表达均显著下降 |
关键发现
- 1 mM SNP不影响毛状根生长，1 mM显著抑制生长，10 mM几乎完全抑制
- 1 mM SNP在第0天处理显著增加蛇根碱、长春质碱、阿吗碱、洛柯宁碱和他波宁的产量（P<0.05至P<0.001），但降低了霍哈梅里辛碱；第12天处理0.1 mM SNP在第21天显著增加蛇根碱、长春质碱、阿吗碱、霍哈梅里辛碱、洛柯宁碱和他波宁，至第28天部分恢复；mRNA水平上，第0天处理导致TDC（P<0.05）、ASA（P<0.005）、STR（P<0.01）、ORCA3（P<0.01）、ZCT1（P<0.005）和Crgbfl（P<0.001）在第23天显著下降；第12天处理导致STR、ORCA3、ZCT1和Crgbfl表达下降，其中ORCA3转录水平在处理后第9天降至原来的1/7，ZCT1在第21天的转录水平约为第28天的2倍，G10H表达显著上升。
研究结论
SNP作为NO供体在低浓度下可促进长春花毛状根中多种萜类吲哚生物碱的积累，但下调多个TIA通路基因的转录水平，提示NO可能通过转录后或翻译后水平调控TIA代谢，且不同生长阶段处理效果存在差异。