Jasmonates mediate increased levels of ginsenosides in Panax Quinquefolius cambial meristematic cell cultures
- 作者
- Pengfei Zhou, Haihua Li, Jiahe Li, Ningjin Liu, Jiarui Wang, Huishan Li, Rulan Zhang, Jingyan Xue, Xiaotian Kang, Chun Yang
- 杂志
- BMC Plant Biology（2025）
- DOI
- 10.1186/s12870-025-07469-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
西洋参中尚未建立形成层分生细胞（CMC）培养体系，传统脱分化细胞（DDC）培养存在次生代谢物产量低、细胞生长慢、性能不稳定等问题，限制人参皂苷的可持续工业化生产。
研究策略
建立西洋参CMC和DDC培养体系，通过生化检测、广靶代谢组学和转录组学比较分析，结合差异代谢物与差异表达基因的KEGG/GO富集，解析内源茉莉素介导的人参皂苷生物合成机制，挖掘候选基因。
核心内容
该研究首次在西洋参中建立了形成层分生细胞（CMC）培养体系，并与传统脱分化细胞（DDC）进行系统比较。通过生化检测、广靶代谢组学和转录组学联合分析，发现CMC中人参皂苷Rg1、Rb1、Re、Rd含量分别比DDC高3.18、2.96、3.58和1.91倍，同时内源茉莉素JA-ILE水平提高3倍以上。代谢组共鉴定521个差异代谢物，转录组鉴定12591个差异表达基因，其中萜类生物合成通路中41/67个基因在CMC中上调，12个CYP相关基因和6个UGT相关基因呈现显著高表达。还发现938个差异转录因子，EP2/ERF家族占10.23%，在高诱导转录因子中占比突出。结果表明，内源茉莉素高水平表达是促进CMC生长和人参皂苷积累的关键因素，CMC培养可作为人参皂苷可持续生产的高效平台，为西洋参及人参属植物工业化生产提供了分子基础与候选基因资源。
创新点
首次在西洋参中建立形成层分生细胞（CMC）培养体系；证明高水平的內源茉莉素（JA、MEJA、JA-ILE）促进CMC生长和人参皂苷等次生代谢物积累；通过代谢组与转录组联合分析鉴定出多个高诱导候选基因，尤其是EP2/ERF转录因子家族。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 西洋参(Panax quinquefolius)形成层分生细胞(CMC) | 人参皂苷生物合成 | — | — | — | 与脱分化细胞(DDC)相比，生长速率和人参皂苷含量显著更高 |
| 西洋参脱分化细胞(DDC) | — | — | — | — | 对照细胞系，用于与CMC进行生化、代谢组和转录组比较 |
| — | MVA/MEP萜类生物合成途径 | IMPGA1N184873、IMPGA1N184320、IMPGA1N66822等倍半萜合酶基因 | 倍半萜合酶 | 催化 | 多个萜类合成基因在CMC中上调，Log2FC最高达9.327 |
| — | 人参皂苷生物合成 | CYP71A13、CYP76AE9、C82A2等细胞色素P450基因 | 细胞色素P450酶 | 催化 | 12个CYP相关DEGs在CMC中Log2FC>5 |
| — | 人参皂苷生物合成 | UGT71A40、UGT73A18、UGTp28等UDP-糖基转移酶基因 | UDP-葡萄糖醛酸/葡萄糖基转移酶 | 催化 | 6个UGT相关DEGs在CMC中Log2FC>2 |
| — | 茉莉素信号途径 | TIF5A、TII10A、TII0A等 | — | 调控 | JA相关候选基因Log2FC最高7.46 |
| — | 植物激素信号转导与转录调控 | EP2/ERF、MYB、WRKY、HB、bHLH等转录因子基因 | 转录因子 | 调控 | 938个差异转录因子，top20中13个为EP2/ERF |
| — | 抗氧化系统 | PERS1、GRXS2、GRXC3、PER72、GLR34、GLR28、LAC11 | 抗氧化酶 | 催化 | 7个高诱导DEGs，与ROS清除和细胞保护相关 |
关键发现
- CMC中人参皂苷Rg1、Rb1、Re、Rd含量分别比DDC高3.18、2.96、3.58、1.91倍
- JA-ILE水平在CMC中比DDC高3倍以上。共鉴定521个差异代谢物（351个下调、170个上调）和12591个差异表达基因（6365个在CMC中上调）。萜类生物合成通路中41/67个DEGs在CMC中上调
- 12个CYP相关DEGs（如CYP71A13、CYP76AE9）Log2FC>5，6个UGT相关DEGs（如UGT71A40、UGT73A18）Log2FC>2。共有938个差异转录因子，其中EP2/ERF占10.23%，top20高诱导转录因子中有13个EP2/ERF。
研究结论
内源茉莉素高水平表达是西洋参CMC生长加快以及人参皂苷、黄酮、多糖等次生代谢物积累增加的关键因素；CMC培养是可持续生产人参皂苷的高效平台，本研究为优化Panax属植物CMC培养和工业化生产人参皂苷提供了分子基础。