ALKALOID BIOSYNTHESIS IN PLANTS: Biochemistry, Cell Biology, Molecular Regulation, and Metabolic Engineering Applications
- 作者
- Peter J Facchini
- 单位
- Department of Biological Sciences, University of Calgary, Calgary, Alberta T2N 1N4, Canada
- 杂志
- Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology（2001）
- DOI
- 10.1146/annurev.arplant.52.1.29
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物生物碱生物合成途径的生化、细胞生物学、分子调控机制及其代谢工程应用
研究策略
综述了萜类吲哚、苄基异喹啉、托品烷和嘌呤生物碱的生物合成基因克隆、酶学表征、亚细胞定位、组织特异性表达、信号转导调控，以及利用基因工程改造植物生物碱积累的研究进展
核心内容
该综述系统整合了植物生物碱生物合成途径在生化、细胞生物学和分子调控层面的研究进展，重点涵盖萜类吲哚、苄基异喹啉、托品烷和嘌呤四类生物碱。文中详细描述了多个关键酶基因的克隆与功能表征，包括长春花中的色氨酸脱羧酶、异胡豆苷合酶及脱乙酰长春多灵4-O-乙酰转移酶等，揭示了酶活性的调控特征，如DAT受它勃松宁和辅酶A抑制的IC50分别为45μM和37μM，而CYP80B1对底物的Km较酚氧化酶低39倍。研究还发现光诱导能显著提高长春花幼苗中NMT和DAT活性，其中DAT活性增幅约十倍。同时阐明了生物碱合成涉及多酶亚细胞区室化和中间产物在细胞间的转运，并揭示了相关基因家族的组织特异性表达与调控机制。在代谢工程应用方面，通过表达或抑制特定生物合成基因，已成功改变植物中吲哚生物碱、托品烷生物碱和血清素等代谢产物的积累水平。这些发现表明生物碱合成是高度复杂的细胞特异性过程，也为利用基因工程定向改良植物次生代谢产物提供了可行策略。
创新点
系统整合了生物碱生物合成在生物化学、细胞生物学和分子调控层面的最新发现，阐明了多细胞间转运和亚细胞区室化在途径调控中的关键作用，并展示了利用生物碱基因进行代谢工程改造的多种应用
研究对象（22）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus; Camptotheca acuminata | 萜类吲哚生物碱 | Tdc | 色氨酸脱羧酶 | 催化 | 催化色氨酸脱羧生成色胺，受发育和诱导调控 |
| Rauvolfia serpentina; Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱 | Str | 异胡豆苷合酶 | 催化 | 缩合色胺和裂环马钱子苷形成异胡豆苷 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱 | Sgd | 异胡豆苷β-D-葡萄糖苷酶 | 催化 | 水解异胡豆苷，与内质网相关 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱 | CYP71D12 | 他勃松宁16-羟化酶 | 催化 | P450单加氧酶，催化他勃松宁C-16羟基化 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱 | D4h | 脱乙酰氧基长春多灵4-羟化酶 | 催化 | 2-酮戊二酸依赖双加氧酶，催化C-4羟基化 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱 | Dat | 脱乙酰长春多灵4-O-乙酰转移酶 | 催化 | 催化长春多灵生物合成最后一步，受途径前体和产物抑制 |
| Papaver somniferum | 苄基异喹啉生物碱 | Tydc (家族约15个) | 酪氨酸/DOPA脱羧酶 | 催化 | 催化酪氨酸和DOPA脱羧，参与生物碱和酪胺代谢 |
| Coptis japonica | 苄基异喹啉生物碱 | 6OMT | 降乌药碱6-O-甲基转移酶 | 催化 | SAM依赖，乒乓机制，催化(S)-降乌药碱6-O-甲基化 |
| Coptis japonica | 苄基异喹啉生物碱 | 4'OMT | 3'-羟基-N-甲基乌药碱4'-O-甲基转移酶 | 催化 | SAM依赖，有序bi bi机制，催化4'-O-甲基化 |
| Eschscholzia californica; Papaver somniferum | 苄基异喹啉生物碱 | CYP80B1 | (S)-N-甲基乌药碱3'-羟化酶 | 催化 | P450单加氧酶，对(S)-N-甲基乌药碱的Km比酚氧化酶低39倍 |
| Berberis stolonifera | 苄基异喹啉生物碱 | CYP80A1 | 小檗宁合酶 | 催化 | 苯酚偶联P450氧化酶，形成双苄基异喹啉生物碱 |
| Eschscholzia californica; Berberis stolonifera; Papaver somniferum | 苄基异喹啉生物碱 | BBE | 小檗碱桥酶 | 催化 | 催化(S)-牛心果碱转化为(S)-金黄紫堇碱，位于内质网腔/囊泡 |
| Coptis japonica | 苄基异喹啉生物碱 | Somt | 金黄紫堇碱9-O-甲基转移酶 | 催化 | 催化(S)-金黄紫堇碱9-O-甲基化，可能被翻译后加工 |
| Papaver somniferum | 苄基异喹啉生物碱 | Cor | 可待因酮还原酶 | 催化 | NADPH依赖的醛酮还原酶，催化可待因酮还原为可待因，存在至少6个等位基因 |
| Datura stramonium | 托品烷生物碱 | Odc | 鸟氨酸脱羧酶 | 催化 | 催化鸟氨酸脱羧形成腐胺，是托品烷生物碱和烟碱的前体 |
| Nicotiana tabacum | 托品烷生物碱/烟碱 | Pmt | 腐胺N-甲基转移酶 | 催化 | SAM依赖，催化腐胺N-甲基化，与亚精胺合酶同源 |
| Datura stramonium | 托品烷生物碱 | TR-I | 托品酮还原酶I | 催化 | 还原托品酮为3α-托品 |
| Datura stramonium | 托品烷生物碱 | TR-II | 托品酮还原酶II | 催化 | 还原托品酮为3β-托品；C端结构域决定底物特异性 |
| Hyoscyamus niger | 托品烷生物碱 | H6H | 莨菪碱6β-羟化酶 | 催化 | 2-酮戊二酸依赖双加氧酶，催化莨菪碱6β-羟基化和环氧化生成东莨菪碱 |
| Camellia sinensis | 嘌呤生物碱 | Cs | 咖啡因合酶 | 催化 | 催化7-甲基黄嘌呤到咖啡因的两步甲基化，属于新甲基转移酶类 |
| Catharanthus roseus; Papaver somniferum; Eschscholzia californica | 萜类吲哚生物碱/苄基异喹啉生物碱 | Cpr | 细胞色素P450还原酶 | 催化 | 为P450单加氧酶提供电子，参与多种生物碱羟化反应 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱 | Orca2 | ORCA2转录因子 | 调控 | AP2结构域转录因子，响应茉莉酸和诱导子调控Str基因表达 |
关键发现
- DAT活性受tabersonine和coenzyme A抑制，IC50分别为45μM和37μM
- 受tryptamine、secologanin和vindoline弱抑制（500μM时抑制28%、25%和40%）。CYP80B1对(S)-N-methylcoclaurine的Km比酚氧化酶低39倍。黄化长春花幼苗转光后NMT活性增加约30%，DAT活性增加约十倍。在长春花中TDC和STR由单基因编码，T16H至少有2个基因，CPR为单拷贝
- 在喜树中TDC由两个独立调控的基因编码。罂粟TYDC基因家族约15个成员，COR至少6个等位基因编码4个cDNA。代谢工程应用包括提高吲哚生物碱水平、改变托品烷生物碱积累、增加血清素合成、减少吲哚硫代葡萄糖苷产生、改变莽草酸代谢和增加细胞壁结合酪胺形成。
研究结论
植物生物碱生物合成是高度复杂的细胞和组织特异性过程，涉及多酶亚细胞区室化和中间产物在细胞间的转运；目前已克隆多个关键酶基因，并已通过代谢工程成功改变植物中特定生物碱的积累，未来将进一步揭示调控机制并进行应用。