CRISPR/Cas9系统靶向删除藤仓赤霉中 Bikaverin 和 Fusarubin 生物合成基因簇以增强GA3 产量的研究

为解决藤仓赤霉（Fusarium fujikuroi）中GA3 生物合成因代谢前体竞争导致的低产问题，研究人员利用CRISPR/Cas9系统靶向删除bikaverin（BIK）和fusarubin（FSR）基因簇（分别21.38 kb和21.35 kb）。结果显示，ΔBIKΔFSR菌株的GA3 产量较野生型提升31.67%，并促进菌丝生长和碳同化。该研究为次级代谢产物基因簇编辑优化工业菌株提供了新策略。

　　

赤霉素GA₃
是一种广泛应用于农业的植物激素，但其在藤仓赤霉中的产量长期受限于代谢前体的竞争。该真菌基因组中存在47个次级代谢产物生物合成基因簇（BGCs），其中bikaverin（BIK）和fusarubin（FSR）等聚酮类化合物与GA₃
共享乙酰辅酶A（acetyl-CoA）前体，导致代谢流分散。传统诱变育种效率低下，而靶向基因编辑技术为精准调控代谢网络提供了可能。

华东理工大学的研究团队在《Journal of Biotechnology》发表的研究中，利用自主开发的一体化CRISPR/Cas9系统，成功删除了BIK（21.38 kb）和FSR（21.35 kb）两个大型基因簇。通过构建ΔBIKΔFSR双缺失菌株，GA₃
产量显著提升至野生型的131.67%，同时菌丝生长速率和还原糖消耗效率提高。qRT-PCR分析表明，基因簇删除增强了糖水解酶系统和TCA循环相关基因的表达，加速了碳源利用。

关键技术方法
研究采用CRISPR/Cas9系统进行大片段基因簇删除，通过同源重组修复策略构建工程菌株；利用HPLC定量GA₃
产量；qRT-PCR分析糖水解（如纤维素酶）、糖酵解（如HK）和TCA循环（如IDH）相关基因表达；使用Czapek Dox（CD）和V8培养基进行表型验证。

研究结果

1. 基因簇删除效率：CRISPR/Cas9系统成功实现21 kb级BGCs的精准删除，PCR和测序验证缺失效率达100%。
2. GA₃
   产量提升：ΔBIKΔFSR菌株在发酵120 h后GA₃
   产量达1.52 g/L，较野生型提高31.67%。
3. 代谢重编程：缺失菌株的还原糖消耗速率提升15%，表明碳同化能力增强；TCA循环关键基因IDH表达上调2.1倍。
4. 菌株适应性：工程菌株在低氮条件下维持稳定产率，且未出现生长缺陷。

结论与意义
该研究首次证明通过删除竞争性次级代谢基因簇可显著提升GA₃
产量，揭示了大型BGCs对宿主代谢负担的实质性影响。作者提出“基因组精简”策略（genome streamlining）可作为优化工业菌株的普适方法，尤其适用于含多BGCs的真菌。未来可进一步靶向删除其他非必需基因簇（如fusarin或fumonisin簇），或结合限速酶过表达（如Ggs2）实现更高产率。这一成果为微生物细胞工厂的理性设计提供了重要范式。