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2025年10月31日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心、植物性狀形成與塑造全國重點實驗室、合成生物學實驗室王勇研究組在Engineering期刊在線發表題為“Fine-Tuned Transcription Factor Engineering and Precursor Rewiring Drive Enhanced Production of Berberine in Nicotiana benthamiana”的研究論文。該研究首次利用植物底盤本氏煙草(Nicotiana benthamiana)，完整重建小檗堿的生物合成全途徑，實現了這一復雜天然產物的從頭合成。

小檗堿是一種具有顯著藥理活性的芐基異喹啉類生物堿（BIAs），廣泛應用于抗炎、抗菌、代謝性疾病治療及神經保護等領域。開發其綠色、可持續的生產方式一直是合成生物學的研究熱點。王勇研究組此前基于大腸桿菌底盤系統實現了小檗堿前體—(S)-四氫小檗堿的從頭合成，創下微生物底盤合成原小檗堿的最高水平。然而，由于該類化合物的合成途徑復雜且具有細胞毒性，進一步提升微生物合成效率仍面臨巨大挑戰。

為突破這一瓶頸，研究組充分利用植物特有的空間區室化與代謝穩態特性，系統探索復雜BIAs有效合成新策略。通過質體代謝重構與轉錄因子精細調控工程（Fine-Tuned Transcription Factor Engineering），團隊在本氏煙草中實現了小檗堿的從頭合成，建立了穩定高效的植物底盤系統，為基于植物底盤的BIAs及其他高值天然產物的綠色制造奠定了重要基礎。

針對本氏煙草體系前體匱乏問題，團隊重塑了質體與胞質中的L-酪氨酸供應。研究發現，利用質體信號肽Rs1A將大腸桿菌來源的抗反饋型TyrA^fbr (CM2/PDH) 和TyrB（TAT同源酶）精準導入質體，顯著增強L-酪氨酸合成通量。同時，通過引入甜菜酪氨酸羥化酶BvCYP76AD5、惡臭假單胞菌脫羧酶PpDDC 和藤黃微球菌單胺氧化酶MlMAO，構建高效的多巴胺和3,4-二羥基苯乙醛（3,4-DHPAA）合成通路，使關鍵中間體(S)-網狀番荔枝堿產量提升6.26倍，達到17.76 μg·g?1干重；在下游酶模塊引入后，小檗堿積累達2.60 μg·g?1。

盡管成功地重建了通路，非靶向代謝組學分析表明，莽草酸途徑下游的主要競爭支路—苯丙烷代謝物大量積累。為進一步優化代謝平衡并緩解宿主脅迫，團隊建立了基于弱啟動子介導的轉錄因子精細調節系統。該策略有效調控了煙草中小檗堿的代謝通量，同時平衡了與宿主穩態，顯著改善了傳統強啟動子驅動引發的壞死表型。將CjWRKY1表達從高水平降低至中等水平，成功消除了細胞毒性，并使小檗堿產量提升222%（至7.33 μg·g?1）。轉錄組比較分析進一步揭示，轉錄因子可誘導內源性同源酶的表達，從而有效補充異源通路功能。最終，通過酶工程獲得高活性 AmBBE1^F398W/I431F突變體，協同調控后小檗堿產量進一步提升至13.91 μg·g?1，經熱處理（98 ℃，24 h）最終達到15.03 μg·g?1干重。

該研究成果首次在植物底盤體系中實現小檗堿的從頭合成，這是復雜BIAs異源合成領域的又一突破，為基于植物底盤的復雜天然產物的高效生物制造提供了樣本。

中國科學院分子植物科學卓越創新中心田晨菲博士和張前博士為該論文并列第一作者，王勇研究員與劉海利副研究員為共同通訊作者。本研究獲得國家重點研發計劃、上海市科技重大專項及中國科學院先導B等項目資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.10.021

基于質體代謝重構和轉錄因子精細調控新策略實現本氏煙草中小檗堿從頭合成