A novel strategy to enhance terpenoids production using cambial meristematic cells of Tripterygium wilfordii Hook. f.
- 作者
- Yadi Song, Shang Chen, Xiujuan Wang, Rui Zhang, Lichan Tu, Tianyuan Hu, Xihong Liu, Yifeng Zhang, Luqi Huang, Wei Gao
- 单位
- School of Traditional Chinese Medicine, Capital Medical University, Beijing 100069, China; School of Pharmaceutical Sciences, Capital Medical University, Beijing 100069, China; State Key Laboratory of Dao-di Herbs, National Resource Center for Chinese Materia Medica, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100700, China; Advanced Innovation Center for Human Brain Protection, Capital Medical University, Beijing 100069, China
- 杂志
- Plant Methods（2019）
- DOI
- 10.1186/s13007-019-0513-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
雷公藤中雷公藤甲素、雷公藤红素和雷公藤酚内酯等萜类有效成分在天然植物、毛状根和脱分化细胞（DDCs）中的产量低，不能满足临床应用需求，需要建立新的培养系统提高萜类产量。
研究策略
首次分离并培养雷公藤形成层分生细胞（CMCs），结合茉莉酸甲酯（MJ）诱导和长期诱导培养，通过转录组和代谢组分析鉴定CMCs特性，并利用qRT-PCR解析萜类生物合成关键基因表达变化。
核心内容
针对雷公藤萜类有效成分产量低的问题，该研究首次分离并建立了雷公藤形成层分生细胞（CMCs）培养体系，并引入茉莉酸甲酯（MJ）诱导及长期培养策略。通过转录组与代谢组分析鉴定细胞特性，结合qRT-PCR解析萜类合成通路关键基因表达。结果显示，MJ诱导后CMCs中雷公藤甲素、雷公藤红素和雷公藤酚内酯最大产量分别达405.1、576.7和880.9 μg/g，较对照提高312%、400%和327%；长期诱导下三种萜类产量分别为MJ处理脱分化细胞（DDCs）的3.12、2.23和3.63倍，相较原植物分别提高53倍、10倍和4.62倍。此外，MJ处理12 h后关键基因TwDXS和TwHMGS表达量分别上调6.78倍和15.6倍。该CMCs体系显著优于DDCs，可作为高效可控的萜类化合物可持续生产平台，为雷公藤活性成分的工业化应用提供了新途径。
创新点
首次建立雷公藤CMCs培养体系；提出利用细胞壁厚度和OPLS-DA分析两种新方法鉴定CMCs；证明CMCs在MJ诱导下比DDCs显著提高萜类产量。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Tripterygium wilfordii CMCs | MEP pathway | TwDXS | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | MJ诱导后表达上调，最大为对照组6.78倍 |
| Tripterygium wilfordii CMCs | MEP pathway | TwDXR | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate reductoisomerase | 催化 | MJ诱导后表达上调，最大为对照组9.36倍 |
| Tripterygium wilfordii CMCs | MVA pathway | TwHMGS | hydroxymethylglutaryl-CoA synthase | 催化 | MJ诱导后表达上调，最大为对照组15.6倍 |
| Tripterygium wilfordii CMCs | MVA pathway | TwHMGR | hydroxymethylglutaryl-CoA reductase | 催化 | MJ诱导后表达上调，最大为对照组2.25倍 |
| Tripterygium wilfordii CMCs | MVA/MEP pathway | TwIDI | isopentenyl diphosphate isomerase | 催化 | MJ诱导后表达上调，最大为对照组1.77倍 |
| Tripterygium wilfordii CMCs | MEP pathway | TwGGPS | geranylgeranyl diphosphate synthase | 催化 | MJ诱导后表达上调，最大为对照组2.98倍 |
| Tripterygium wilfordii CMCs | MVA pathway | TwFPS | farnesyl diphosphate synthase | 催化 | MJ诱导后表达上调，最大为对照组3.53倍 |
关键发现
- MJ诱导后，CMCs中雷公藤甲素、雷公藤红素、雷公藤酚内酯的最大产量分别达405.1 μg/g、576.7 μg/g和880.9 μg/g，比对照组提高312%、400%和327%
- 培养基中雷公藤甲素和雷公藤酚内酯最大分泌量分别达7.75 mg/L和2.34 mg/L，比对照组高231%和130%，而雷公藤红素分泌量比对照组低48%
- 长期诱导后CMCs中三种萜类产量分别为MJ处理DDCs的3.12、2.23和3.63倍
- 相比原植物，CMCs中三种萜类产量分别高53倍、10倍和4.62倍
- CMCs细胞壁平均厚度367.9±64.27 nm，显著薄于DDCs的573.7±116.5 nm
- zeocin处理48 h后CMCs死亡率79.8%，高于DDCs的47.6%
- MJ诱导12 h后TwDXS和TwHMGS表达量分别比对照组高6.78倍和15.6倍，TwDXR、TwHMGR、TwIDI、TwGGPS和TwFPS最大分别为9.36、2.25、1.77、2.98和3.53倍
- MJ处理的CMCs最大干重0.64 g，比DDCs对照组和MJ组高128%和139%。
研究结论
雷公藤形成层分生细胞首次被分离、培养、鉴定和应用，显著富集萜类化合物，可作为可持续生产萜类的高效可控平台，优于脱分化细胞。