Engineering tropane alkaloid production and glyphosate resistance by overexpressing AbCaM1 and G2-EPSPS in Atropa belladonna

莨菪碱 颠茄 托烷 草甘膦 生物 转基因作物 转基因 园艺 茄科 植物 基因 生物化学 农学 神经科学
作者
Qiaozhuo Zhang,Mengjiao Liang,Junlan Zeng,Chunxian Yang,Jianbo Qin,Qiang Wei,Xiaozhong Lan,Min Chen,Min Lin,Zhihua Liao
出处
期刊:Metabolic Engineering [Elsevier BV]
卷期号:72: 237-246 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.ymben.2022.03.014
摘要

Atropa belladonna is an important industrial crop for producing anticholinergic tropane alkaloids (TAs). Using glyphosate as selection pressure, transgenic homozygous plants of A. belladonna are generated, in which a novel calmodulin gene (AbCaM1) and a reported EPSPS gene (G2-EPSPS) are co-overexpressed. AbCaM1 is highly expressed in secondary roots of A. belladonna and has calcium-binding activity. Three transgenic homozygous lines were generated and their glyphosate tolerance and TAs' production were evaluated in the field. Transgenic homozygous lines produced TAs at much higher levels than wild-type plants. In the leaves of T2GC02, T2GC05, and T2GC06, the hyoscyamine content was 8.95-, 10.61-, and 9.96 mg/g DW, the scopolamine content was 1.34-, 1.50- and 0.86 mg/g DW, respectively. Wild-type plants of A. belladonna produced hyoscyamine and scopolamine respectively at the levels of 2.45 mg/g DW and 0.30 mg/g DW in leaves. Gene expression analysis indicated that AbCaM1 significantly up-regulated seven key TA biosynthesis genes. Transgenic homozygous lines could tolerate a commercial recommended dose of glyphosate in the field. In summary, new varieties of A. belladonna not only produce pharmaceutical TAs at high levels but tolerate glyphosate, facilitating industrial production of TAs and weed management at a much lower cost.
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