Engineering the MEP pathway enhanced ajmalicine biosynthesis
- 作者
- Kai Chang, Fei Qiu, Min Chen, Lingjiang Zeng, Xiaoqiang Liu, Chunxian Yang, Xiaozhong Lan, Qiang Wang, Zhihua Liao
- 单位
- Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region (Ministry of Education), Chongqing Engineering and Technology Research Centre for Sweetpotato, School of Life Sciences, Southwest University, Chongqing; Chengdu Grain Storage Research Institute, State Administration of Grain Reserves, Chengdu; School of Pharmaceutical Sciences, Southwest University, Chongqing; Agricultural and Animal Husbandry College, Tibet University, Nyingchi, Tibet; China Rural Technology Development Center, Ministry of Science and Technology, Beijing
- 杂志
- Biotechnology and Applied Biochemistry（2014）
- DOI
- 10.1002/bab.1176
- 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
验证MEP途径是否直接参与阿吗碱生物合成，并通过代谢工程改造MEP途径及下游途径提高长春花毛状根中阿吗碱的产量。
研究策略
在长春花（Catharanthus roseus）毛状根培养中分别过表达来自红豆杉的MEP途径基因DXR和MECS、来自长春花的STR基因，以及组合共表达DXR+STR、MECS+STR，利用HPLC检测阿吗碱含量。
研究路线图
核心内容
本研究通过在长春花毛状根中分别过表达来自红豆杉的MEP途径基因DXR和MECS、来自长春花的STR基因，以及组合共表达DXR+STR和MECS+STR，利用HPLC检测阿吗碱含量，系统验证了MEP途径在阿吗碱生物合成中的直接作用。结果显示，过表达STR使阿吗碱含量达0.44 mg/g DW，为对照的2.1倍；单过表达DXR和MECS的最高含量分别为0.49和0.55 mg/g DW，约为对照的2.3倍和2.5倍。更关键的是，共表达DXR和STR的最高含量达0.91 mg/g DW，分别是对照、DXR单基因和STR单基因的4.3倍、1.9倍和2.1倍；共表达MECS和STR的最高含量为0.70 mg/g DW，达对照的3.3倍。这些结果首次通过转基因实验证实了MEP途径直接参与阿吗碱合成，并证明采用"推-拉"策略组合过表达上游MEP基因与下游STR基因比单基因过表达更能有效提高目标产物产量，为萜类吲哚生物碱的代谢工程改造提供了重要参考。
创新点
['首次通过转基因实验提供直接证据证明MEP途径参与阿吗碱生物合成。', '首次在植物中通过过表达MECS基因来改造MEP途径，并显著提高阿吗碱产量。', "采用'推-拉'策略组合过表达上游（MEP途径）和下游（STR）基因，显著提高阿吗碱产量。"]
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus hairy root cultures | MEP途径 | TcDXR | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate reductoisomerase | 催化 | 来自Taxus chinensis，MEP途径关键限速酶，过表达可提高阿吗碱含量 |
| Catharanthus roseus hairy root cultures | MEP途径 | TcMECS | 2-C-methyl-D-erythritol 2,4-cyclodiphosphate synthase | 催化 | 来自Taxus chinensis，首次在植物中过表达该基因，显著提高阿吗碱产量 |
| Catharanthus roseus hairy root cultures | 阿吗碱生物合成途径（TIAs） | CrSTR | strictosidine synthase | 催化 | 来自Catharanthus roseus，阿吗碱生物合成途径的限速酶，过表达提高阿吗碱含量 |
关键发现
- 过表达STR的转基因毛状根中阿吗碱含量为对照的2.1倍（0.44 mg/g DW vs 0.21 mg/g DW）
- 过表达DXR的最高阿吗碱含量为0.49 mg/g DW，约为对照的2.3倍
- 过表达MECS的最高阿吗碱含量为0.55 mg/g DW，约为对照的2.5倍
- 共表达DXR和STR的最高阿吗碱含量达0.91 mg/g DW，分别是对照、DXR单基因和STR单基因的4.3倍、1.9倍和2.1倍
- 共表达MECS和STR的最高阿吗碱含量为0.70 mg/g DW，分别是对照、MECS单基因和STR单基因的3.3倍、1.3倍和1.6倍。
研究结论
过表达MEP途径的DXR或MECS可显著提高长春花毛状根中阿吗碱的生物合成，证实MEP途径参与阿吗碱合成；同时过表达上游MEP基因和下游STR基因（push-pull策略）比单基因过表达更有效地提高阿吗碱产量。