鐵皮石斛（Dendrobium catenatum/officinale）是一種常用的藥食同源蘭科植物，是蘭科石斛屬中最|受歡迎和推廣種植面積最廣的種類之一。早在東漢《神農(nóng)本草經(jīng)》及明代《本草綱目》中就已將鐵皮石斛奉為上品，足見(jiàn)其價(jià)值之高。然而，野生鐵皮石斛生存環(huán)境惡劣，易受干旱和高溫等逆境脅迫影響，已處于瀕危狀態(tài)而被列為國(guó)家二級(jí)保護(hù)野生植物。

  石斛堿是一種倍半萜類生物堿，有抗病毒、抗腫瘤、抗氧化、護(hù)肝、調(diào)節(jié)血糖和保護(hù)神經(jīng)元等效用，近年來(lái)受到越來(lái)越多關(guān)注。然而，目前石斛堿在研究和生產(chǎn)中需求量較大，即使從含量較高的金釵石斛中提取仍難以滿足需求，且不同生長(zhǎng)期的石斛苗中石斛堿含量也千差萬(wàn)別，亟需多樣化其生物來(lái)源。鐵皮石斛種植面積較廣，遺傳轉(zhuǎn)化相對(duì)容易，基因組測(cè)序完成，生長(zhǎng)周期相對(duì)較短且生物量較大，含有多種石斛堿合成所需的前體物質(zhì)，比較適合作為生物底盤(pán)大規(guī)模生產(chǎn)石斛堿。但鐵皮石斛中石斛堿含量較低，通常只在茉莉酸甲酯或特定共生菌處理后才能比較容易檢測(cè)到。此外，石斛堿生物合成路徑尚不完整，需要發(fā)掘更多關(guān)鍵基因，且通過(guò)轉(zhuǎn)錄組等手段推測(cè)的相關(guān)基因功能仍待進(jìn)一步闡明。

  近日，深圳市蘭科植物保護(hù)研究中心（蘭科中心）科研人員及其合作者在International Journal of Molecular Sciences在線發(fā)表了題為“Metabolic Pathway Engineering Improves Dendrobine Production in Dendrobium catenatum”的研究論文，報(bào)道了通過(guò)篩選與表達(dá)重構(gòu)合成路徑相關(guān)基因有效提升石斛堿產(chǎn)量的研究。

  研究人員對(duì)來(lái)自金釵石斛、鐵皮石斛、細(xì)莖石斛等3種石斛的根、莖、葉等多個(gè)組織樣本RNAseq數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得648個(gè)共有差異表達(dá)基因（圖A），并通過(guò)KEGG及WGCNA加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析得到多個(gè)新的石斛堿生物合成關(guān)鍵基因（圖B）。進(jìn)一步地，作者選取涉及上下游合成路徑及后修飾途徑中的7個(gè)石斛堿生物合成相關(guān)基因進(jìn)行表達(dá)重構(gòu)（圖C），實(shí)現(xiàn)了鐵皮石斛中石斛堿產(chǎn)量的大幅提升（圖D）。同時(shí)，研究人員成功創(chuàng)制了多個(gè)遺傳材料，石斛堿合成途徑處于高度激活狀態(tài)（圖E）。此外，本文未發(fā)表的基因表達(dá)和質(zhì)譜鑒定相關(guān)數(shù)據(jù)還表明所篩選的關(guān)鍵基因功能比較保守，在鐵皮石斛和金釵石斛等多個(gè)品種中具有類似功能。總之，該研究中多個(gè)石斛堿合成關(guān)鍵基因挖掘及多基因聚合表達(dá)策略的運(yùn)用對(duì)鐵皮石斛高技術(shù)育種與商業(yè)價(jià)值的進(jìn)一步提升具有創(chuàng)新性指導(dǎo)意義。

  深圳市蘭科植物保護(hù)研究中心王志才副研究員、王美娜副教授為本論文通訊作者，蘭科中心助理工程師趙美麗和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)已畢業(yè)博士生趙延昌為本論文共同第一作者。蘭科中心李健、孔德敏、王玉、陳朋，上海師范大學(xué)明鳳教授和聯(lián)合培養(yǎng)碩士生楊振宇也參與了此項(xiàng)工作。本研究得到了深圳市科技計(jì)劃面上項(xiàng)目和深圳市可持續(xù)發(fā)展項(xiàng)目的支持。

  文、圖丨王志才

  審核丨陳建兵 王美娜