科研进展│重构生物合成路径提高铁皮石斛中石斛碱产量

  铁皮石斛（Dendrobium catenatum/officinale）是一种常用的药食同源兰科植物，是兰科石斛属中最|受欢迎和推广种植面积最广的种类之一。早在东汉《神农本草经》及明代《本草纲目》中就已将铁皮石斛奉为上品，足见其价值之高。然而，野生铁皮石斛生存环境恶劣，易受干旱和高温等逆境胁迫影响，已处于濒危状态而被列为国家二级保护野生植物。

  石斛碱是一种倍半萜类生物碱，有抗病毒、抗肿瘤、抗氧化、护肝、调节血糖和保护神经元等效用，近年来受到越来越多关注。然而，目前石斛碱在研究和生产中需求量较大，即使从含量较高的金钗石斛中提取仍难以满足需求，且不同生长期的石斛苗中石斛碱含量也千差万别，亟需多样化其生物来源。铁皮石斛种植面积较广，遗传转化相对容易，基因组测序完成，生长周期相对较短且生物量较大，含有多种石斛碱合成所需的前体物质，比较适合作为生物底盘大规模生产石斛碱。但铁皮石斛中石斛碱含量较低，通常只在茉莉酸甲酯或特定共生菌处理后才能比较容易检测到。此外，石斛碱生物合成路径尚不完整，需要发掘更多关键基因，且通过转录组等手段推测的相关基因功能仍待进一步阐明。

  近日，深圳市兰科植物保护研究中心（兰科中心）科研人员及其合作者在International Journal of Molecular Sciences在线发表了题为“Metabolic Pathway Engineering Improves Dendrobine Production in Dendrobium catenatum”的研究论文，报道了通过筛选与表达重构合成路径相关基因有效提升石斛碱产量的研究。

  研究人员对来自金钗石斛、铁皮石斛、细茎石斛等3种石斛的根、茎、叶等多个组织样本RNAseq数据进行分析，获得648个共有差异表达基因（图A），并通过KEGG及WGCNA加权基因共表达网络分析得到多个新的石斛碱生物合成关键基因（图B）。进一步地，作者选取涉及上下游合成路径及后修饰途径中的7个石斛碱生物合成相关基因进行表达重构（图C），实现了铁皮石斛中石斛碱产量的大幅提升（图D）。同时，研究人员成功创制了多个遗传材料，石斛碱合成途径处于高度激活状态（图E）。此外，本文未发表的基因表达和质谱鉴定相关数据还表明所筛选的关键基因功能比较保守，在铁皮石斛和金钗石斛等多个品种中具有类似功能。总之，该研究中多个石斛碱合成关键基因挖掘及多基因聚合表达策略的运用对铁皮石斛高技术育种与商业价值的进一步提升具有创新性指导意义。

  深圳市兰科植物保护研究中心王志才副研究员、王美娜副教授为本论文通讯作者，兰科中心助理工程师赵美丽和华南农业大学已毕业博士生赵延昌为本论文共同第一作者。兰科中心李健、孔德敏、王玉、陈朋，上海师范大学明凤教授和联合培养硕士生杨振宇也参与了此项工作。本研究得到了深圳市科技计划面上项目和深圳市可持续发展项目的支持。

  文、图丨王志才

  审核丨陈建兵 王美娜