石斛堿是少數(shù)幾種石斛屬植物中含有的一種倍半萜類生物堿,在金釵石斛中含量較高,可達0.4%,而在其他幾種石斛屬植物中含量相對較低。目前大量研究表明,石斛堿具有廣泛的生物學活性,如抗癌、抗氧化、抗病毒、護肝等功效。由于化學合成步驟繁瑣,成本較高,因此目前仍然以從金釵石斛中提取作為其主要來源,日益不能滿足生產(chǎn)和研究需要。
鐵皮石斛中石斛堿含量較低,通常在共生菌或MeJA處理后才能檢測到,表明其含有石斛堿合成所需的反應底物,且代謝通路完整。鐵皮石斛生物量較大,相對易于遺傳轉(zhuǎn)化,且人工擴繁技術成熟,產(chǎn)業(yè)化種植面積較廣,適宜于作為轉(zhuǎn)化受體材料通過基因表達調(diào)控提升石斛堿產(chǎn)量,從而多樣化石斛堿的生物來源,緩解對野生資源和對金釵石斛商業(yè)生產(chǎn)的巨大壓力,同時也進一步提升鐵皮石斛的開發(fā)利用價值。
鐵皮石斛 金釵石斛
利用生物技術通過代謝通路關鍵基因表達調(diào)控提升目標化合物產(chǎn)量是本領域的研究熱點。近年來,通過多基因聚合載體構(gòu)建及表達實現(xiàn)了多基因調(diào)控的表型性狀聚合,產(chǎn)生出單基因過表達難以比擬的效果,對于培育多抗高產(chǎn)農(nóng)作物及園藝作物具有廣闊的應用前景。此外,CRISPR/Act3.0作為高效的基因轉(zhuǎn)錄表達調(diào)控方法,在動物細胞和多種模式植物如擬南芥及水稻中表現(xiàn)出較高的工作效率,而在蘭花中還未有相關研究報道。
近日,深圳市蘭科植物保護研究中心(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“Enhancement of Dendrobine Production by CRISPR/Act3.0-Mediated Transcriptional Activation of Multiple Endogenous Genes in Dendrobium Plants”的研究論文,報道了通過CRISPR/Act3.0轉(zhuǎn)錄激活石斛屬植物的多個內(nèi)源基因來提高石斛堿含量的研究。
該研究對石斛堿合成路徑上下游7個關鍵基因進行多基因聚合疊加構(gòu)建與植物轉(zhuǎn)化,獲得了目的基因高表達且石斛堿含量提升35.6%的育種新材料(圖A-E)。同時,為了提高遺傳轉(zhuǎn)化效率和縮短轉(zhuǎn)化子獲取周期,研究人員采用在體轉(zhuǎn)化方法獲得CRISPR/Act3.0調(diào)控的內(nèi)源多靶基因轉(zhuǎn)錄激活的遺傳材料,其植株中石斛堿含量提升13.55%(圖F-J)。
該研究首次將升級版本的CRISPR/Act3.0轉(zhuǎn)錄激活系統(tǒng)應用于石斛堿生物合成調(diào)控,提高了相關基因表達水平進而提升了石斛堿產(chǎn)量,為觀賞及藥用蘭花的遺傳改良開辟了新的技術路徑。
深圳市蘭科植物保護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上海師范大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生楊振宇為本論文共同第一作者。蘭科中心李健、孔德敏、徐海鋒、王玉、陳朋、段曉娟,上海師范大學明鳳教授也參與了此項工作。本研究得到了深圳市科技計劃面上項目和深圳市可持續(xù)發(fā)展項目的支持。
論文鏈接:https://www.mdpi.com/1422-0067/26/4/1487
圖文丨趙美麗 王志才
審核丨王美娜
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