科研进展│通过多基因表达调控提高石斛中的石斛碱含量

  石斛碱是少数几种石斛属植物中含有的一种倍半萜类生物碱，在金钗石斛中含量较高，可达0.4%，而在其他几种石斛属植物中含量相对较低。目前大量研究表明，石斛碱具有广泛的生物学活性，如抗癌、抗氧化、抗病毒、护肝等功效。由于化学合成步骤繁琐，成本较高，因此目前仍然以从金钗石斛中提取作为其主要来源，日益不能满足生产和研究需要。

  铁皮石斛中石斛碱含量较低，通常在共生菌或MeJA处理后才能检测到，表明其含有石斛碱合成所需的反应底物，且代谢通路完整。铁皮石斛生物量较大，相对易于遗传转化，且人工扩繁技术成熟，产业化种植面积较广，适宜于作为转化受体材料通过基因表达调控提升石斛碱产量，从而多样化石斛碱的生物来源，缓解对野生资源和对金钗石斛商业生产的巨大压力，同时也进一步提升铁皮石斛的开发利用价值。

铁皮石斛                    金钗石斛

  利用生物技术通过代谢通路关键基因表达调控提升目标化合物产量是本领域的研究热点。近年来，通过多基因聚合载体构建及表达实现了多基因调控的表型性状聚合，产生出单基因过表达难以比拟的效果，对于培育多抗高产农作物及园艺作物具有广阔的应用前景。此外，CRISPR/Act3.0作为高效的基因转录表达调控方法，在动物细胞和多种模式植物如拟南芥及水稻中表现出较高的工作效率，而在兰花中还未有相关研究报道。

  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“Enhancement of Dendrobine Production by CRISPR/Act3.0-Mediated Transcriptional Activation of Multiple Endogenous Genes in Dendrobium Plants”的研究论文，报道了通过CRISPR/Act3.0转录激活石斛属植物的多个内源基因来提高石斛碱含量的研究。

  该研究对石斛碱合成路径上下游7个关键基因进行多基因聚合叠加构建与植物转化，获得了目的基因高表达且石斛碱含量提升35.6%的育种新材料（图A-E）。同时，为了提高遗传转化效率和缩短转化子获取周期，研究人员采用在体转化方法获得CRISPR/Act3.0调控的内源多靶基因转录激活的遗传材料，其植株中石斛碱含量提升13.55%（图F-J）。

  该研究首次将升级版本的CRISPR/Act3.0转录激活系统应用于石斛碱生物合成调控，提高了相关基因表达水平进而提升了石斛碱产量，为观赏及药用兰花的遗传改良开辟了新的技术路径。

  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上海师范大学联合培养博士生杨振宇为本论文共同第一作者。兰科中心李健、孔德敏、徐海锋、王玉、陈朋、段晓娟，上海师范大学明凤教授也参与了此项工作。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。

论文链接：https://www.mdpi.com/1422-0067/26/4/1487

图文丨赵美丽 王志才

审核丨王美娜