半枝莲毛状根体系的建立及其对二萜类化合物生物合成的调控机制研究

《Biochemical Systematics and Ecology》：Hairy root establishment and diterpenoid production in Scutellaria barbata

本研究成功建立半枝莲毛状根体系，发现毛状根中clerodane型二萜生物合成关键酶基因（diTPSs）低表达是限制抗癌活性成分scutebarbatine A-D生成的关键因素，为利用毛状根生产二萜类化合物提供了重要理论依据。

　　

Highlight

毛状根的建立

采用两种感染方法（外植体感染和直接注射法）和三种发根农杆菌（R.rhizogenes）菌株（K599、C58C1和A4）诱导半枝莲毛状根。使用两个月大植株的幼叶圆片和幼茎段进行外植体感染（图1A），但三种菌株共培养后均未观察到毛状根产生。受感染外植体出现褐化并在感染后培养过程中最终死亡。相比之下，所有三种菌株通过直接注射法均成功诱导出毛状根，其中菌株K599诱导效率最高（36-44%）。进一步优化发现叶柄是最佳注射部位，6,7-V培养基为最佳生长培养基。

讨论

毛状根因其生长快速、生产效率高和遗传稳定性好被广泛应用于植物次生代谢物生产。外植体感染是最常用且有效的毛状根诱导方法，已在多种植物中成功应用。近期郑等人（2023）通过发根农杆菌A4菌株感染叶片，成功建立了半枝莲及其他五种黄芩属植物的毛状根培养体系。然而，本研究中外植体感染法未能诱导出毛状根，可能与半枝莲组织对农杆菌感染敏感性差异有关。直接注射法通过将菌液注入完整植株的特定部位，避免了外植体离体培养的褐化问题，为难以通过传统方法诱导毛状根的植物提供了新思路。

结论

本研究成功利用发根农杆菌K599菌株通过直接注射法建立了半枝莲毛状根体系。研究表明，所建立的毛状根无法产生代表性clerodane型二萜生物碱（如scutebarbatine A-D），但能够合成abietane型二萜类化合物。与此一致的是，clerodane型二萜合酶（diTPSs）基因表达水平极低，而abietane型二萜合酶（diTPSs）基因表达量较高。鉴于茉莉酸甲酯（MeJA）处理仅能适度增强SbarKPSs表达而未能诱导目标产物积累，提示毛状根中clerodane型二萜生物合成途径可能存在更复杂的转录后调控机制。