Effects of methyl jasmonate and salicylic acid on tanshinone production and biosynthetic gene expression in transgenic Salvia miltiorrhiza hairy roots
- 作者
- Xiaolong Hao, Min Shi, Lijie Cui, Chao Xu, Yanjie Zhang, Guoyin Kai
- 单位
- Development Center of Plant Germplasm Resources, College of Life and Environment Sciences, Shanghai Normal University, Shanghai, People's Republic of China; State Key Laboratory of Bioreactor Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai, People's Republic of China
- 杂志
- Biotechnology and Applied Biochemistry（2014）
- DOI
- 10.1002/bab.1236
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究茉莉酸甲酯（MJ）和水杨酸（SA）对过表达SmGGPPS的转基因丹参毛状根中丹参酮积累及生物合成基因表达的影响，探索进一步提高丹参酮产量的方法。
研究策略
以过表达SmGGPPS的丹参转基因毛状根系G50为材料，分别用100 μM MJ和SA处理，于0、36、72、144小时取样，采用HPLC检测四种丹参酮（DH-TI、CT、T-I、T-IIA）含量，并用qRT-PCR分析SmHMGR、SmDXS I/II、SmDXR、SmIPPI、SmGGPPS、SmCPS、SmKSL等关键基因的表达变化。
研究路线图
核心内容
以过表达SmGGPPS的丹参转基因毛状根G50为材料，研究茉莉酸甲酯（MJ）和水杨酸（SA）对丹参酮积累及生物合成基因表达的影响。分别用100 μM MJ和SA处理，于0至144小时取样，通过HPLC检测四种丹参酮含量，并用qRT-PCR分析关键基因表达。结果显示，MJ处理36小时总丹参酮含量最高达11.33 mg/g，为对照的3.10倍，其中二氢丹参酮I为5.36 mg/g、隐丹参酮为5.06 mg/g；SA处理36小时总丹参酮为5.95 mg/g，为对照的1.63倍。基因表达方面，MJ处理下SmIPPI在36小时上调7.4倍、144小时达19.4倍，SmGGPPS在36小时达35.2倍，SmCPS和SmKSL在72小时分别达18.1和32.2倍。丹参酮积累与SmGGPPS、SmCPS、SmKSL等关键基因表达呈正相关。研究表明，将诱导子处理与转基因技术结合可有效提高丹参酮产量，为丹参酮生物合成的代谢工程改造提供了重要基础。
创新点
将茉莉酸甲酯/水杨酸诱导子处理与SmGGPPS过表达转基因技术相结合，在转基因毛状根基础上进一步显著提高丹参酮产量（MJ处理36 h达11.33 mg/g，为对照3.10倍）；系统揭示了丹参酮积累与SmGGPPS、SmCPS、SmKSL等关键基因表达的正相关关系。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）转基因毛状根系G50（过表达SmGGPPS） | 丹参酮生物合成通路（MVA途径） | SmHMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | MJ处理后72和144 h表达略有上调 |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）转基因毛状根系G50（过表达SmGGPPS） | 丹参酮生物合成通路（MEP途径） | SmDXS I | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶I | 催化 | MJ处理36和72 h略有上调，SA处理72 h达最高 |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）转基因毛状根系G50（过表达SmGGPPS） | 丹参酮生物合成通路（MEP途径） | SmDXS II | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶II | 催化 | MJ处理144 h中度上调，SA处理36 h达最高 |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）转基因毛状根系G50（过表达SmGGPPS） | 丹参酮生物合成通路（MEP途径） | SmDXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | MJ处理36、72、144 h均略有上调，SA处理72 h达最高 |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）转基因毛状根系G50（过表达SmGGPPS） | 丹参酮生物合成通路（类异戊二烯通用途径） | SmIPPI | 异戊烯基二磷酸δ-异构酶 | 催化 | MJ处理36 h上调7.4倍，144 h达19.4倍；SA处理144 h达32.0倍 |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）转基因毛状根系G50（过表达SmGGPPS） | 丹参酮生物合成通路（类异戊二烯通用途径） | SmGGPPS | 香叶基香叶基二磷酸合酶 | 催化 | MJ处理36 h达35.2倍，SA处理上调3~4倍；本研究过表达目标基因 |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）转基因毛状根系G50（过表达SmGGPPS） | 丹参酮生物合成通路（二萜特异性下游途径） | SmCPS | 柯巴基二磷酸合酶 | 催化 | MJ处理72 h达18.1倍，SA处理36 h有上调 |
| 丹参（Salvia miltiorrhiza）转基因毛状根系G50（过表达SmGGPPS） | 丹参酮生物合成通路（二萜特异性下游途径） | SmKSL | 贝壳杉烯合酶类似物 | 催化 | MJ处理72 h达32.2倍，SA处理144 h最高 |
关键发现
- 水对照处理的总丹参酮含量为3.55~4.10 mg/g
- MJ处理36 h总丹参酮含量最高达11.33 mg/g，为对照的3.10倍，其中DH-TI为5.36 mg/g、CT为5.06 mg/g、T-I为0.18 mg/g、T-IIA为0.74 mg/g
- SA处理36 h总丹参酮含量最高为5.95 mg/g，为对照的1.63倍，其中DH-TI为2.78 mg/g、CT为2.64 mg/g，T-I和T-IIA在72 h最高分别为0.14和0.66 mg/g
- MJ处理下SmIPPI表达在36 h上调7.4倍、144 h达19.4倍，SmGGPPS在36 h达35.2倍，SmCPS和SmKSL在72 h分别达18.1和32.2倍
- SA处理下SmIPPI在144 h达32.0倍，SmGGPPS上调3~4倍
- 丹参酮积累与SmGGPPS、SmCPS、SmKSL表达正相关。
研究结论
研究表明，将MJ或SA诱导子处理与转基因技术结合是进一步提高丹参毛状根中丹参酮含量的有效策略；丹参酮积累与SmGGPPS、SmCPS、SmKSL等关键基因的表达呈正相关，为丹参酮生物合成的代谢工程改造奠定了基础。