祝順琴,劉萬(wàn)宏*,戴傳云
(1.西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,重慶 400715;2.重慶科技學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,重慶 401331)
紅景天苷生物合成的細(xì)胞與分子生物學(xué)研究進(jìn)展
祝順琴1,劉萬(wàn)宏2,*,戴傳云2
(1.西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,重慶 400715;2.重慶科技學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,重慶 401331)
紅景天苷因其抗氧化、抗疲勞、延緩衰老等生物學(xué)功能成為當(dāng)今天然產(chǎn)物研究的熱門(mén)方向。本文綜述了紅景天苷生物合成途徑及途徑中的相關(guān)酶與基因;利用紅景天愈傷組織和細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)紅景天苷的方法,通過(guò)遺傳轉(zhuǎn)化獲得毛狀根生產(chǎn)紅景天苷等細(xì)胞與分子生物學(xué)的研究。最后提出細(xì)胞工程和基因工程是解決藥源缺乏的理想途徑之一。
紅景天苷;生物合成;細(xì)胞工程;基因工程
紅景天屬植物在歐洲和亞洲的很多國(guó)家有很悠久的藥用歷史,是一種優(yōu)秀的抗外界環(huán)境壓力的適應(yīng)原;紅景天中含有多種活性物質(zhì),如苷類(lèi)、黃酮類(lèi)、香豆素類(lèi)、生物堿等[1]。其中主要藥用成分為紅景天苷(salidroside);實(shí)驗(yàn)表明紅景天苷具有抗氧化、抗缺氧、抗疲勞、防輻射、腫瘤抑制等多種生物活性,因此作為原料藥和食品添加劑的使用越來(lái)越廣泛[2];近年來(lái)野生資源數(shù)量銳減,主要由以下原因造成:1)絕大多數(shù)紅景天種類(lèi)生境破碎,加上過(guò)度放牧和無(wú)計(jì)劃人為采挖,致使紅景天野生數(shù)量呈下降趨勢(shì);2)花粉表面光滑,不利于授粉。小孢子敗育降低了生育花粉的數(shù)量[3];3)近交衰退嚴(yán)重[4];4)人工引種栽培根腐病較為嚴(yán)重,且對(duì)環(huán)境需要較高[5];隨著對(duì)紅景天藥理作用的認(rèn)識(shí)不斷深入,如何擴(kuò)大藥源以滿足日益增長(zhǎng)的需求,是目前生物學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。
利用現(xiàn)代生物技術(shù)開(kāi)展瀕危物種中特殊功能化合物的生物合成機(jī)理探索是目前生命科學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一,其中細(xì)胞與分子生物學(xué)的發(fā)展在這個(gè)領(lǐng)域得到了充分的應(yīng)用;本文對(duì)紅景天苷生物合成及利用細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)生產(chǎn)紅景天苷相關(guān)的細(xì)胞與分子生物學(xué)最新研究做一系統(tǒng)綜述。
1.1 紅景天苷前體酪氨酸的來(lái)源
植物體內(nèi)莽草酸(shikimate)經(jīng)莽草酸激酶(shikimate kinase,aroK)催化合成莽草酸-3-磷酸(shikimate 3-phosphate);后者在5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶(5-enolpyruvyl shikimate-3-phosphate,aroA)催化下與磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate,PEP)結(jié)合,脫去一個(gè)磷酸基團(tuán),形成5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸(5-
enolpyruvylshikimate-3-phosphate,EPSP);EPSP在分支酸合酶(chorismate synthase,aroC)的作用下,脫去磷酸基團(tuán)合成分支酸(chorismate);分支酸是莽草酸途徑的重要樞紐物質(zhì),它以后的去向分為兩個(gè)分支[6]:一個(gè)分支走向色氨酸(tryptophan),另一個(gè)分支是在分支酸變位酶(chorismate mutas,aroQ)催化下先形成預(yù)苯酸(prephenate),經(jīng)芳香族氨基酸轉(zhuǎn)氨酶(aromatic-aminoacid transaminase,tyrB)催化加氨合成阿羅酸(arogenicacid),隨后阿羅酸在阿羅酸脫氫酶(arogenate dehydrogenase,tyrC)的催化合成酪氨酸(tyrosine)進(jìn)入紅景天苷生物合成途徑[7]。
1.2 紅景天苷生物合成途徑

圖1 紅景天苷生物合成途徑Fig.1 Biosynthetic pathways of salidroside
紅景天苷屬于酪氨酸代謝產(chǎn)物,其生物合成途徑己經(jīng)基本闡明(圖1);來(lái)源于莽草酸途徑的酪氨酸在紅景天苷合成關(guān)鍵酶酪氨酸脫羧酶(tyrosine decarboxylase,TyDC)催化下合成酪胺(tyramine),后者為異喹啉生物堿(isoquinoline alkaloid)生物合成重要前體;酪胺在單氨氧化酶(monoamine oxidase, MAOA)催化合成p-羥苯乙醛(4-hydroxyphenylacetaldehyde,4-HPAA);隨后4-HPAA在p-羥苯醇脫氫酶(p-hydroxybenzyl alcohol dehydrogenase,areB)還原合成紅景天苷的苷元酪醇(tyrosol),該反應(yīng)依賴(lài)NADH的參與;紅景天苷合成最后一步在關(guān)鍵酶尿苷二磷酸葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶(UDP-glucosyltransferase,UGT)催化作用下以尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)和酪醇為底物合成紅景天苷。
近年來(lái),由于自然生境的破壞和人為無(wú)計(jì)劃采收紅景天自然資源,導(dǎo)致紅景天瀕危;利用現(xiàn)代生物技術(shù)擴(kuò)大藥源是解決人類(lèi)需求與自然供給矛盾的有效途徑;由于紅景天苷生物合成途徑基本清楚,利用基因工程遺傳改良合成途徑成為可能,而首先需要解決的就是對(duì)途徑中酶與基因的分離以及功能的鑒定;本文從紅景天植物中分離與紅景天苷合成2個(gè)關(guān)鍵酶與基因做一簡(jiǎn)單綜述。
2.1 酪氨酸脫羧酶(tyrosine decarboxylase,TyDC)
TyDC依賴(lài)于吡哆醛-5-磷酸(pyridoxal-5-phosphate,PLP),催化來(lái)源于莽草酸合成途徑酪氨酸脫羧,產(chǎn)生CO2和酪氨。Bartley等[8]對(duì)柑橘屬的不同物種的TyDC基因進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,發(fā)現(xiàn)TyDC基因?qū)π粮チ?synephrine)的合成起到了一定的遺傳決定作用;Lee等[9]采用來(lái)源玉米泛素啟動(dòng)子異位超表達(dá)TyDC基因,在轉(zhuǎn)基因水稻中考察酪氨酸衍生物章魚(yú)胺(octopamine)的含量發(fā)現(xiàn),在轉(zhuǎn)基因水稻的葉片中章魚(yú)胺的含量較野生型水稻提高了4倍。Lehmann等[10]采用RACE技術(shù)獲得擬南芥TyDC基因,考察多個(gè)外部刺激因子對(duì)基因表達(dá)的影響,發(fā)現(xiàn)傷害處理使得基因轉(zhuǎn)錄大大上調(diào),干旱脅迫也使得基因轉(zhuǎn)錄有所上調(diào),其他刺激因子如溫度、黑暗差異不顯著,揭示TyDC在植物抗逆性中具有功能;同時(shí)構(gòu)建GFP-TyDC考察亞細(xì)胞定位,發(fā)現(xiàn)TyDC定位于細(xì)胞質(zhì)中。Park等[11]利用胚乳特異啟動(dòng)子表達(dá)編碼N-羥基肉桂酰轉(zhuǎn)移酶(N-hydroxycinnamoyltransferase)和TyDC兩個(gè)基因,發(fā)現(xiàn)在植物中含量很低的兩個(gè)酪氨酸衍生物對(duì)羥基苯乙基阿魏酰胺(feruloyltyramine)和4-香豆酰酪胺(4-coumaroyltyramine)在轉(zhuǎn)基因水稻種子中含量顯著增加,說(shuō)明TyDC在對(duì)酪氨酸衍生物的積累起到重要作用。
由于植物細(xì)胞壁上常結(jié)合有羥基肉桂酸酪氨酰胺等酚類(lèi)物質(zhì),以抵御外界病原菌的侵染。增加細(xì)胞中酪氨的含量可能獲得更多的酚類(lèi)物質(zhì),增強(qiáng)作物的抗病能力。基于此,Landtag等[12]將來(lái)源于歐芹的TyDC基因通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)入馬鈴薯,希望獲得抗病的馬鈴薯。然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期并不一致,在轉(zhuǎn)基因細(xì)胞的細(xì)胞壁中結(jié)合的酚類(lèi)物質(zhì)的形式和數(shù)量并沒(méi)有發(fā)生變化,卻發(fā)現(xiàn)細(xì)胞合成幾個(gè)從未在馬鈴薯中合成的化合物,其中主要的就是紅景天苷;Gyorgy等[13]從紅景天中分離獲得TyDC基因,包含963bp的開(kāi)放讀碼框,編碼320個(gè)氨基酸殘基。通過(guò)實(shí)時(shí)定量PCR檢測(cè)發(fā)現(xiàn),TyDC在紅景天中葉和根中均有表達(dá),而根中表達(dá)量大大高于葉,這與紅景天苷在植物中不同器官的含量相對(duì)應(yīng),并且高含量株TyDC的基因表達(dá)較低含量株要高,這表明TyDC與紅景天苷的生物合成密切相關(guān),具有組織特異性。
2.2 尿苷二磷酸葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶(UDP-glucosyltransferase,UGT)
在次生代謝產(chǎn)物合成中,UGT表現(xiàn)出十分重要的功能。甜葉菊(Stevia rebaudiana)葉子中含有至少8個(gè)不同的甜菊糖苷化合物,這主要是不同的糖基轉(zhuǎn)移酶在苷元不同位點(diǎn)催化糖基化反應(yīng)而致。Richman等[14]對(duì)甜葉菊中UGT做了系統(tǒng)地功能基因組研究,從54個(gè)EST序列中獲得12個(gè)UGT基因的全長(zhǎng),體外原核表達(dá)并對(duì)蛋白進(jìn)行酶功能驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)其中3個(gè)UGT可選擇性的糖基化苷元甜葉醇(steviol)上的不同位點(diǎn)。花色苷也是植物中重要的次生代謝產(chǎn)物,主要影響花的顏色,吸引昆蟲(chóng)授粉。而花色苷的穩(wěn)定性和在水中的溶解度均需要糖基化步驟的參與[15]。
紅景天苷(酪醇-β-D-葡萄糖苷)是由葡糖糖與酪醇以苷鍵結(jié)合的小分子化合物,這類(lèi)反應(yīng)由糖基轉(zhuǎn)運(yùn)酶進(jìn)行催化。糖基轉(zhuǎn)運(yùn)酶一個(gè)主要的功能就是將高能單糖殘基轉(zhuǎn)移至糖、蛋白質(zhì)、脂類(lèi)、核酸以及另外一些小分子等受體分子上完成糖基化。Ma Lanqing等[16]從高山紅景天(Rhodiola sachalinensis A. Bor.)中克隆全長(zhǎng)為1598bp糖基轉(zhuǎn)移酶基因UGT73B6,Southern雜交分析表明基因在高山紅景天基因組中存在1個(gè)拷貝,Northern雜交結(jié)果表明,基因在根、莖及愈傷組織中均表達(dá)而在葉片中不表達(dá)。用農(nóng)桿菌介導(dǎo)將基因遺傳轉(zhuǎn)化至高山紅景天中,在獲得的轉(zhuǎn)基因愈傷和植株中紅景天苷的含量均明顯高于對(duì)照,揭示UGT73B6基因在紅景天苷生物合成中起到一個(gè)重要的作用。
誘導(dǎo)植物愈傷組織,通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)的方式生產(chǎn)有價(jià)值的次生代謝產(chǎn)物具有廣大的應(yīng)用前景,目前有不少成功的案例如紫草寧、小檗堿、紫杉醇等;然而阻礙利用細(xì)胞生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物大規(guī)模生產(chǎn)的主要瓶頸在于生物量的積累和次生代謝產(chǎn)物產(chǎn)量低下。因此,篩選適合商業(yè)化生產(chǎn)的高產(chǎn)細(xì)胞株是現(xiàn)代生物技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。
3.1 紅景天愈傷組織的誘導(dǎo)及再生
利用細(xì)胞工程大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)紅景天苷的前提之一就是紅景天離體培養(yǎng)的成功,以獲得大量愈傷組織和植物細(xì)胞。盛長(zhǎng)忠等[17]采用正交試驗(yàn)的方法考察不同激素誘導(dǎo)四裂紅景天(Rhodiola quadrifida)愈傷組織和細(xì)胞培養(yǎng)的影響,以MS為基本培養(yǎng)基,激素配比為2,4-D 1mg/L、NAA 2mg/L、6-BA 0.5mg/L、KT 0.1mg/L時(shí)誘導(dǎo)率為83.3%;而在最適細(xì)胞培養(yǎng)的激素配比為2,4-D 1mg/L、6-BA 0.1mg/L、KT 0.5mg/L,紅景天愈傷組織在誘導(dǎo)期與培養(yǎng)期激素種類(lèi)和濃度差異較大。Wu Shuangxiu等[18]對(duì)高山紅景天細(xì)胞培養(yǎng)做了系統(tǒng)的研究,發(fā)現(xiàn)外植體來(lái)源于子葉、葉和莖均可在3~5d內(nèi)誘導(dǎo)出愈傷組織,誘導(dǎo)率分別為95%、80%和75%,而來(lái)源于根的外植體很難獲得愈傷組織;BA是誘導(dǎo)愈傷組織必要的激素,同時(shí)IBA、IAA和NAA有利于愈傷組織的形成以及細(xì)胞的生長(zhǎng)。
建立愈傷組織再生體系對(duì)紅景天的組織快速繁殖及轉(zhuǎn)基因植株獲得等研究提供了有利的理論與實(shí)踐基礎(chǔ);Zych等[19]利用藻酸鈣(calcium alginate)包埋狹葉紅景天(Rhodiola kirilowii)的腋芽與正在分化的愈傷組織,在4℃保藏6周后,轉(zhuǎn)移至無(wú)激素的MS培養(yǎng)基中,腋芽與愈傷能發(fā)育成植株;在紅景天生根培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn)激素濃度為IBA 2mg/L、IAA 0.2mg/L的1/2 MS培養(yǎng)基獲得高效的生根率,移栽至珍珠巖、泥炭、土壤質(zhì)量比為1:1:2的基質(zhì)中,成活率達(dá)70%,且植株生理形態(tài)與野生植株相似,這對(duì)紅景天的棲息地回復(fù)、種植資源保藏、生物工程應(yīng)用等方面提供了有價(jià)值的理論參考[20]。
3.2 懸浮培養(yǎng)合成紅景天苷的研究
利用細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)來(lái)取代直接從植株提取次生代謝產(chǎn)物是對(duì)自然資源的保護(hù),特別是對(duì)保護(hù)瀕危植物具有重大的意義。然而,由于體外培養(yǎng)細(xì)胞的去分化作用,造成不能形成如同植物中高度的區(qū)室化,導(dǎo)致細(xì)胞合成次生代謝產(chǎn)物的能力有限。因此,培養(yǎng)篩選高產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物的緊湊愈傷組織聚集體(compact callus aggregates,CAA)是目前植物細(xì)胞工程研究的熱點(diǎn)之一[21];Xu Jianfeng等[22]以高山紅景天莖段為外植體誘導(dǎo)獲得直徑為2~7mm、表面光滑、球形CAA-type愈傷組織,組織化學(xué)分析顯示CAA結(jié)構(gòu)有利于養(yǎng)分的運(yùn)輸;搖瓶懸浮培養(yǎng)測(cè)定CAA生長(zhǎng)及紅景天苷合成動(dòng)力學(xué)顯示細(xì)胞增殖指數(shù)增長(zhǎng)期較短,在細(xì)胞周期中主要以穩(wěn)定期存在,細(xì)胞增長(zhǎng)與細(xì)胞合成紅景天苷不偶聯(lián);細(xì)胞增長(zhǎng)量為0.60g/(d·L);CAA合成紅景天苷含量為0.68%,較分散細(xì)胞產(chǎn)率高6倍。
3.3 前體與誘導(dǎo)子對(duì)紅景天苷合成的影響
在植物細(xì)胞培養(yǎng)體系中適當(dāng)?shù)奶砑訉?duì)細(xì)胞毒害較小的化學(xué)物質(zhì),特別是添加在生物合成途徑中與目標(biāo)產(chǎn)物距離更為接近的前體物質(zhì),對(duì)提高次生代謝產(chǎn)物的含量積累能起到有效的作用[23];在懸浮細(xì)胞培養(yǎng)液中添加紅景天苷化學(xué)結(jié)構(gòu)類(lèi)似物乙酰水楊酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸及酪醇,發(fā)現(xiàn)5個(gè)化合物均影響細(xì)胞生長(zhǎng)及紅景天苷的合成,其中酪醇會(huì)顯著推動(dòng)紅景天苷的合成,其含量較對(duì)照株高26倍[18];Krajewska-Patan等[24]在培養(yǎng)液中添加3~5mmol/L p-酪醇,紅景天苷積累顯著增加到11.06mg/g,較對(duì)照提高了110倍;葡萄糖是細(xì)胞可直接利用的碳源,也是紅景天苷生物合成中的重要原料, Gyorgy等[25]測(cè)定了不同濃度葡萄糖中紅景天細(xì)胞合成糖苷類(lèi)化合物的含量發(fā)現(xiàn),葡萄糖的增加可以使得一些糖苷類(lèi)化合物含量上升,其中肉桂醇苷最高上升了2倍,而紅景天苷并沒(méi)有增加,暗示紅景天苷合成中的主要限制因素是其前體酪醇在細(xì)胞中的積累。利用黑曲霉、云芝和靈芝考察生物誘導(dǎo)子對(duì)紅景天毛狀根合成紅景天苷的影響,發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)子對(duì)生物量的積累有很大促進(jìn),而且對(duì)紅景天苷的合成從0.42%高到0.71%[26];在利用細(xì)胞工程生產(chǎn)紅景天苷工藝中,添加廉價(jià)易得的化學(xué)物質(zhì),在不減少生物量積累的同時(shí),使得紅景天苷含量達(dá)到大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的目標(biāo),這將是工業(yè)生產(chǎn)工藝研究的重點(diǎn)。
利用毛狀根培養(yǎng)技術(shù)生產(chǎn)藥物、食用色素、香精香料等重要植物次生代謝物。在莨菪發(fā)根中同時(shí)過(guò)量表達(dá)東莨菪堿生物合成途徑上的兩個(gè)限速酶基因pmt和h6h,獲得的轉(zhuǎn)基因發(fā)根中東莨菪堿含量比對(duì)照組提高了9倍[27];目前對(duì)轉(zhuǎn)基因藥用植物器官和組織的研究較多,已有青蒿、黃芪、丹參等10多種藥用植物的發(fā)根誘導(dǎo)成功并建立培養(yǎng)系統(tǒng),這些成功的事例都說(shuō)明了利用基因工程對(duì)植物遺傳轉(zhuǎn)化來(lái)生產(chǎn)或提高次生代謝產(chǎn)物含量是切實(shí)可行。Zhou Xiaofu等[26]利用發(fā)根農(nóng)桿菌A4菌株侵染高山紅景天(R. sachalinensis)誘導(dǎo)獲得毛狀根,并對(duì)轉(zhuǎn)化工程中侵染時(shí)間、菌體濃度、共培養(yǎng)時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化;其中毛狀根中紅景天苷含量為0.42%。目前還沒(méi)有將關(guān)鍵酶基因TyDC和UGT轉(zhuǎn)入紅景天毛狀根的報(bào)道,由于這2個(gè)基因在紅景天苷的生物合成中起到重要的調(diào)節(jié)作用,是一個(gè)值得研究的方向。
紅景天苷合成的最后一步即酪醇與葡萄糖脫水形成糖苷鍵,而p-酪醇和β-D-葡萄糖是廉價(jià)易得的化工原料,因此,采用生物酶法合成紅景天苷的方法是可行的。Zhang Lei等[28]從黑曲霉MS-48中分離純化一個(gè)大小為84.6kD的糖苷酶Salidrosidase,在p-酪醇質(zhì)量濃度為1.5g/100mL、β-D-葡萄糖質(zhì)量濃度為6g/100mL、溫度45.8℃、pH值為5.0的條件下反應(yīng)6h,紅景天苷的產(chǎn)率為10%。這是首次報(bào)道利用微生物酶合成紅景天苷的報(bào)道,為紅景天苷半合成提供了新的方向。
人工培育高含量紅景天苷的紅景天植物栽培品種所需的生境要求高,勞動(dòng)成本大,很難適應(yīng)日益增長(zhǎng)的需求;而且紅景天根腐病的防治提高了種植成本,導(dǎo)致人工種植量很難滿足市場(chǎng)需求[29];紅景天苷化學(xué)全合成雖然已經(jīng)成功[30],但是合成過(guò)程中參入化學(xué)試劑,很難應(yīng)用到食品行業(yè);相比之下,利用基因工程遺傳改良紅景天,開(kāi)展紅景天苷代謝工程研究,進(jìn)而利用細(xì)胞工程生產(chǎn)紅景天苷就具有很大優(yōu)勢(shì);大量的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)利用細(xì)胞工程手段生產(chǎn)紅景天苷是可行的,目前需要解決的就是工藝參數(shù)的優(yōu)化;而越來(lái)越多的分子生物學(xué)證據(jù)顯示紅景天苷生物合成中起到限制性的因素是酪氨的積累,這可能存在反饋抑制;借鑒前人的研究思路,如獲得酪氨反饋不敏感紅景天突變株,可能會(huì)大大增加紅景天苷的含量[31]。因而利用基因工程結(jié)合細(xì)胞工程是將來(lái)生產(chǎn)紅景天苷的理想途徑,紅景天苷生物合成分子生物學(xué)研究和細(xì)胞工程研究在這方面將起到?jīng)Q定作用,為最終實(shí)現(xiàn)紅景天苷商業(yè)化生產(chǎn)奠定理論基礎(chǔ)。
[1]MING D S, HILLHOUSE B J, GUNS E S, et al. Bioactive compounds from Rhodiola rosea (Crassulaceae)[J]. Phytotherapy Research, 2005, 19(9): 740-743.
[2]PANOSSIAN A, WIKMAN G, SARRIS J. Rosenroot (Rhodiola rosea): traditional use, chemical composition, pharmacology, and clinical efficacy [J]. Phytomedicine, 2010, 17(7): 481-493.
[3]祖元?jiǎng)? 唐艷. 高山紅景天有性生殖過(guò)程及瀕危原因的生態(tài)學(xué)分析[J]. 植物研究, 1998, 18(3): 336-340.
[4]ZHU Ling, LOU A . Mating system and pollination biology of a highmountain perennial plant, Rhodiola dumulosa (Crassulaceae)[J]. Journal of Plant Ecology-Uk, 2010, 3(3): 219-227.
[5]成玉懷, 朱蕓, 趙文彬, 等. 紅景天根腐病的防治[J]. 時(shí)珍國(guó)醫(yī)國(guó)藥, 2007, 18(6): 1335-1336.
[6]HERRMANN K M, WEAVER L M. The shikimate pathway[J]. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 1999, 50: 473-503.
[7]RIPPERT P, MATRINGE M. Molecular and biochemical characterization of an Arabidopsis thaliana arogenate dehydrogenase with two highly similar and active protein domains[J]. Plant Mol Biol, 2002, 48 (4): 361-368.
[8]BARTLEY G E, BREKSA A P, ISHIDA B K. PCR amplification and cloning of tyrosine decarboxylase involved in synephrine biosynthesis in Citrus[J]. N Biotechnol, 2010, 27(4): 308-316.
[9]LEE K, KANG K, PARK M, et al. Enhanced octopamine synthesis through the ectopic expression of tyrosine decarboxylase in rice plants [J]. Plant Science, 2009, 176(1): 46-50.
[10]LEHMANN T, POLLMANN S. Gene expression and characterization of a stress-induced tyrosine decarboxylase from Arabidopsis thaliana[J]. FEBS Lett, 2009, 583(12): 1895-1900.
[11]PARK S, KANG K, KIM Y S, et al. Endosperm-specific expression of tyramine N-hydroxycinnamoyltransferase and tyrosine decarboxylase from a single self-processing polypeptide produces high levels of tyramine derivatives in rice seeds[J]. Biotechnol Lett, 2009, 31(6): 911-915.
[12]LANDTAG J, BAUMERT A, DEGENKOLB T, et al. Accumulation of tyrosol glucoside in transgenic potato plants expressing a parsley tyrosine decarboxylase[J]. Phytochemistry, 2002, 60(7): 683-689.
[13]GYORGY Z, JAAKOLA L, NEUBAUER P, et al. Isolation and genotype-dependent, organ-specific expression analysis of a Rhodiola rosea cDNA encoding tyrosine decarboxylase[J]. J Plant Physiol, 2009, 166 (14): 1581-1586.
[14]RICHMAN A, SWANSON A, HUMPHREY T, et al. Functional genomics uncovers three glucosyltransferases involved in the synthesis of the major sweet glucosides of Stevia rebaudiana[J]. Plant J, 2005, 41 (1): 56-67.
[15]OGATA J, KANNO Y, ITOH Y, et al. Plant biochemistry: anthocyanin biosynthesis in roses[J]. Nature, 2005, 435: 757-758.
[16]MA Lanqing, LIU Benye, GAO Dongyao, et al. Molecular cloning and overexpression of a novel UDP-glucosyltransferase elevating salidroside levels in Rhodiola sachalinensis[J]. Plant Cell Reports, 2007, 26(7): 989-999.
[17]盛長(zhǎng)忠, 胡鐵強(qiáng), 浩畢, 等. 植物生長(zhǎng)物質(zhì)對(duì)紅景天愈傷組織誘導(dǎo)和培養(yǎng)的影響[J]. 中國(guó)中藥雜志, 2005, 30(16): 1237-1240.
[18]WU Shuangxiu, ZU Yuangang, WU M. High yield production of salidroside in the suspension culture of Rhodiola sachalinensis[J]. Journal of Biotechnology, 2003, 106(1): 33-43.
[19]ZYCH M, FURMANOWA M, KRAJEWSKA-PATAN A, et al. Micropropagation of Rhodiola kirilowii plants using encapsulated axillary buds and callus[J]. Acta Biologica Cracoviensia Series Botanica,2005, 47(2): 83-87.
[20]TASHEVA K, KOSTURKOVA G. Bulgarian golden root in vitro cultures for micropropagation and reintroduction[J]. Central European Journal of Biology, 2010, 5(6): 853-863.
[21]TREJO-TAPIA G, RODRIGUEZ-MONROY M. Cellular aggregation in secondary metabolite production in in vitro plant cell cultures[J]. Interciencia, 2007, 32(10): 669-674.
[22]XU Jianfeng, SU Zhiguo, FENG Pusun. Suspension culture of compact callus aggregate of Rhodiola sachalinensis for improved salidroside production[J]. Enzyme and Microbial Technology, 1998, 23(1): 20-27.
[23]YEOMAN M M, YEOMAN C L. Tansley review no. 90 manipulating secondary metabolism in cultured plant cells[J]. New Phytol, 1996, 134 (4): 553-569.
[24]KRAJEWSKA-PATAN A, DREGER M, GORSKA-PAUKSZTA M, et al. Enhancing of salidroside and rosavin production in Rhodiola kirilowii callus cultures[J]. Acta Biologica Cracoviensia Series Botanica, 2009, 51(1): 48-48.
[25]GYORGY Z, TOLONEN A, NEUBAUER P, et al. Enhanced biotransformation capacity of Rhodiola rosea callus cultures for glycosid production [J]. Plant Cell Tissue and Organ Culture, 2005, 83(2): 129-135.
[26]ZHOU Xiaofu, WU Yuxia, WANG Xingzhi, et al. Salidroside production by hairy roots of Rhodiola sachalinensis obtained after transformation with Agrobacterium rhizogenes[J]. Biol Pharm Bull, 2007, 30(3): 439-442.
[27]ZHANG Lei, DING Ruxian, CHAI Yourong, et al. Engineering tropane biosynthetic pathway in Hyoscyamus niger hairy root cultures[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2004, 101(17): 6786-6791.
[28]ZHANG Chunzhi, YU Hongshan, LU Mingchun, et al. Enzymic synthesis of salidroside: purification and characterization of salidrosidase from Aspergillas niger[J]. Process Biochemistry, 2005, 40: 3143-3147.
[29]HWANG S F, AHMED H, AMPONG-NYARKO K, et al. Effect of vesicular-arbuscular mycorrhizal fungi on growth and development of seedling and root rot of Rhodiola rosea in Alberta, Canada[J]. Canadian Journal of Plant Pathology-Revue Canadienne De Phytopathologie, 2009, 31(1): 143-143.
[30]GUO Yibing, ZHAO Yahong, ZHENG Cheng, et al. Synthesis, biological activity of salidroside and its analogues[J]. Chem Pharm Bull (Tokyo), 2010, 58(12): 1627-1629.
[31]YAMADA T, MATSUDA F, KASAI K, et al. Mutation of a rice gene encoding a phenylalanine biosynthetic enzyme results in accumulation of phenylalanine and tryptophan[J]. Plant Cell, 2008, 20(5): 1316-1329.
Advances in Studies on Cellular and Molecular Biology of Salidroside Biosynthesis
ZHU Shun-qin1,LIU Wan-hong2,*,DAI Chuan-yun2
(1.College of Life Science, Southwest University, Chongqing 400715, China;2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)
Research into salidroside as a naturally occurring compound is a hot topic nowadays due to its multiple bioactivities such as antioxidant, anti-fatigue, and anti-aging functions. This review covers the following aspects of the cellular and molecular biology of salidroside biosynthesis: (1) biosynthesis pathways and related enzymes and genes; (2) salidroside production by Rhodiola rosea callus and cell culture; (3) salidroside production from hair roots obtained by genetic transformation. Therefore, cell engineering and genetic engineering strategies can provide suitable strategies to solve the lack of drug resources.
salidroside;biosynthesis;cell engineering;genetic engineering
Q291
A
1002-6630(2012)03-0267-05
2011-01-14
重慶市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)自然科學(xué)基金計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010BB5296);重慶市教育委員會(huì)科技研究項(xiàng)目(KJ101401);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(XDJK2011C017)
祝順琴(1981—),女,講師,碩士,研究方向?yàn)橹参锘蚬こ獭-mail:zhushunqin@163.com
*通信作者: 劉萬(wàn)宏(1979—),男,講師,碩士,研究方向?yàn)樗幱弥参锎紊x工程。 E-mail:liuwanh@163.com