Plant Cell & Environment | 基因组所李伟团队联合闫建斌、周绍群团队构建烟草底盘最佳光质环境并应用于紫杉醇生物合成

近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）李伟课题组联合闫建斌、周绍群课题组在《植物，细胞和环境 (Plant, Cell & Environment)》杂志发表了题为“ Multi‐Omics Analyses Reveal the Red and Far‐Red Light Combination Enhancing Heterologous Protein and Metabolite Production in Nicotiana benthamiana” 的研究论文。

本氏烟草(Nicotiana benthamiana) 是优秀的合成生物学植物底盘，基于农杆菌介导的瞬时转化系统是功能基因挖掘、代谢通路重建和天然产物生产的理想平台。调控合成底盘是增加表达和提升产量的重要手段，而光质作为植物发育和抗性的重要环境因子，对本氏烟草底盘合成效率的影响尚未深入研究，制约了植物合成生物学的发展。

该研究测试了五种不同波段组合的代表性光质（红光-远红光组合、高比例蓝光组合、UV-B紫外线处理、LED白光和荧光灯白光）对烟草生长及绿色荧光蛋白（GFP）表达的影响，结果表明红光-远红光组合处理下报告蛋白的积累量最高（图1）。

图1 五种光质处理对本氏烟草生长与异源蛋白（GFP）表达的影响

结合不同表达时期的转录组、蛋白质组及代谢组分析，红光-远红光组合下烟草底盘的免疫抵抗下降，促进了农杆菌在叶片中的生长，进而提高了目标基因的模板量，导致目标蛋白的积累量升高（图2）。

图2 多组学手段阐明叶片中农杆菌生长、目标基因表达和抗性途径对红光-远红光处理的响应

研究利用紫杉醇合成基因对该系统进行测试，提升了紫杉醇前体的产量。在红光-远红光处理下的烟草叶片中导入紫杉二烯合酶（Taxadiene Synthase 1, TS1），与LED白光处理组相比，紫杉二烯的积累量提高了76.5%（图3）。

图3 光质处理对烟草瞬时表达系统中紫杉二烯异源合成的影响

本研究通过优化底盘植物本氏烟草的光质环境，有效提升了外源基因的表达水平。相比于其他光质，红光-远红光组合为农杆菌提供了一个更为理想的侵染和生长条件，在不引发强烈植物防御反应的同时，促进了农杆菌在叶片组织中的生长，从而显著增强了外源基因的表达效率（图4）。

图4 红光-远红光组合光质处理本氏烟草底盘更适合于农杆菌介导的瞬时转化系统

构建植物合成底盘的高效光质环境，将为分子农业和植物合成生物学的发展提供坚实基础，有望加速植物来源的高附加值生物制品在医药等产业中的应用。

团队已申请发明专利，下一步将与企业对接进行相关环境控制设备研发落地。相关技术横向科研合作或技术转让请咨询：liwei11@caas.cn，或中国农业科学院深圳农业基因组研究所产业发展处（电话：0755-28398803）。

基因组所（大鹏湾实验室）李伟研究员、闫建斌研究员、周绍群研究员为论文的共同通讯作者，博士后张雅婷与博士生王凤姣为论文共同第一作者，基因组所（大鹏湾实验室）杜然副研究员和环发所李涛研究员为项目实施提供了支持与帮助，论文得到深圳市科技计划、国家重点研发项目、国家自然科学基金和中国农业科学院创新工程的资金支持。

原文链接：http://doi.org/10.1111/pce.15573