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(dá)0.4%，而在其他幾種石斛屬植物中含量相對(duì)較低。目前大量研究表明，石斛堿具有廣泛的生物學(xué)活性，如抗癌、抗氧化、抗病毒、護(hù)肝等功效。由于化學(xué)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(cè)到，表明其含有石斛堿合成所需的反應(yīng)底物，且代謝通路完整。鐵皮石斛生物量較大，相對(duì)易于遺傳轉(zhuǎn)化，且人工擴(kuò)繁技術(shù)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(dá)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(duì)野生資源和對(duì)金釵石斛商業(yè)生產(chǎn)的巨大壓力，同時(shí)也進(jìn)一步提升鐵皮石斛的開發(fā)利用價(jià)值。

鐵皮石斛                    金釵石斛

  利用生物技術(shù)通過代謝通路關(guān)鍵基因表達(dá)調(diào)控提升目標(biāo)化合物產(chǎn)量是本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來，通過多基因聚合載體構(gòu)建及表達(dá)實(shí)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(dá)難以比擬的效果，對(duì)于培育多抗高產(chǎn)農(nóng)作物及園藝作物具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，CRISPR/Act3.0作為高效的基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)調(diào)控方法，在動(dòng)物細(xì)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(guān)研究報(bào)道。

  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“Enhancement of Dendrobine Production by CRISPR/Act3.0-Mediated Transcriptional Activation of Multiple Endogenous Genes in Dendrobium Plants”的研究論文，報(bào)道了通過CRISPR/Act3.0轉(zhuǎn)錄激活石斛屬植物的多個(gè)內(nèi)源基因來提高石斛堿含量的研究。

  該研究對(duì)石斛堿合成路徑上下游7個(gè)關(guān)鍵基因進(jìn)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(dá)且石斛堿含量提升35.6%的育種新材料（圖A-E）。同時(shí)，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(jí)版本的CRISPR/Act3.0轉(zhuǎn)錄激活系統(tǒng)應(yīng)用于石斛堿生物合成調(diào)控，提高了相關(guān)基因表達(dá)水平進(jìn)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(shù)路徑。

  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上海師范大學(xué)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(xué)明鳳教授也參與了此項(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。

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