Tilting Plant Metabolism for Improved Metabolite Biosynthesis and Enhanced Human Benefit
- 作者
- Bhekumthetho Ncube, Johannes Van Staden
- 单位
- Research Centre for Plant Growth and Development, University of KwaZulu-Natal Pietermaritzburg, Private Bag X01, Scottsville 3209, South Africa
- 杂志
- Molecules（2015）
- DOI
- 10.3390/molecules200712698
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过代谢工程手段调控植物次生代谢网络，提高具有药用价值的次生代谢产物（如生物碱、酚类、萜类）的产量和质量，以满足人类对药物和功能化合物的需求。
研究策略
综述了植物次生代谢物的主要类别及其生物合成途径，重点总结了利用转录因子调控、代谢通路基因工程、微生物异源表达、环境诱导等策略来改造植物代谢，增强目标代谢物积累。
核心内容
该文系统综述了通过代谢工程调控植物次生代谢网络以提高药用化合物产量的策略。植物次生代谢物已鉴定超过20万种，其中生物碱约1.2万种，黄酮类超过4000种变体，而酚类化合物约占生物圈有机碳的40%，化学多样性极为丰富。文章重点总结了三条核心策略：利用转录因子如ORCA3和MYB28对多基因通路进行协同调控，例如拟南芥中超过75%的转录因子突变体能显著改变芥子油苷积累；通过代谢通路基因工程（如苯丙烷途径占细胞总代谢的20%以上）增强目标产物合成；以及利用微生物平台异源表达植物途径，其中在大肠杆菌中共表达amorpha-4,11-diene synthase与酵母甲羟戊酸途径后，amphadiene产量达24 μg caryophyllene equivalent/mL。此外也讨论了环境诱导和生物活性验证，如narciclasine在30–90 nM浓度即破坏癌细胞肌动蛋白骨架并降低有丝分裂速率。该工作表明，整合初级与次生代谢的调控网络并借助异源表达可极大提高产物产量，但代谢网络的高度复杂性仍制约定向工程的精准性，未来需结合系统生物学视角进行理性设计。
创新点
系统整合了初级代谢与次生代谢的调控关联，强调利用转录因子（如ORCA3、MYB28）进行多基因协同调控的代谢工程策略，并展示了利用微生物平台异源表达植物代谢途径的可行性。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Arabidopsis thaliana | 芥子油苷生物合成 | ATR1; MYB28 | ATR1; MYB28 | 调控 | 调控脂肪族和吲哚芥子油苷生物合成，并协同调控硫同化和TCA循环等初级代谢通路 |
| Arabidopsis thaliana | 苯丙烷代谢 | TKL | transketolase | 催化 | 转酮醇酶活性是光合作用和苯丙烷代谢的重要决定因素，其活性轻微改变即可显著影响苯丙烷代谢 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱生物合成 | ORCA3 | ORCA3 (AP2/ERF转录因子) | 调控 | ORCA3过表达诱导多个代谢基因表达，增加萜类吲哚生物碱积累 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱生物合成 | TDC; STR | tryptophan decarboxylase; strictosidine synthase | 催化 | TDC连接初级和次级代谢，STR催化色胺与裂环马钱子苷缩合形成strictosidine |
| Nicotiana tabacum | 咖啡因生物合成 | NMT | N-甲基转移酶 | 催化 | 过表达三个N-甲基转移酶基因提高咖啡因产量，增强植物对害虫的耐受性 |
| Escherichia coli | 类黄酮生物合成 | 人工三基因簇 | — | 催化 | 表达人工三基因簇从苯丙氨酸和酪氨酸合成pinocembrin和naringenin |
| Escherichia coli | 萜类生物合成（甲羟戊酸途径） | ADS | amorpha-4,11-diene synthase | 催化 | 与酿酒酵母甲羟戊酸途径共表达，amphadiene产量达24 μg caryophyllene equivalent/mL |
| Saccharomyces cerevisiae | 芪类生物合成 | — | stilbene synthase | 催化 | 表达两个植物基因从4-香豆酸合成白藜芦醇 |
| Solanum lycopersicum | 类黄酮生物合成 | CHI | chalcone isomerase | 催化 | 过表达矮牵牛查尔酮异构酶显著提高番茄果实中类黄酮含量 |
| Solanum lycopersicum | 类黄酮生物合成 | LC; C1 | 玉米转录因子LC和C1 | 调控 | 异源表达玉米转录因子基因LC和C1产生高黄酮醇番茄 |
| Hyoscyamus muticus | 托品烷生物碱生物合成 | h6h | hyoscyamine 6β-hydroxylase | 催化 | 毛状根遗传工程提高东莨菪碱产量 |
关键发现
- 已知植物次生代谢物超过200,000种
- 生物碱约12,000种
- 拟南芥中超过75%的转录因子突变体可显著改变芥子油苷积累
- 苯丙烷途径占细胞总代谢的20%以上
- 酚类化合物约占生物圈有机碳的40%
- 黄酮类化合物超过4000种变体
- 在大肠杆菌中表达amorpha-4,11-diene synthase基因和酵母甲羟戊酸途径，amphadiene产量达24 μg caryophyllene equivalent/mL
- narciclasine在30-90 nM浓度下可破坏癌细胞肌动蛋白骨架并降低有丝分裂速率。
研究结论
植物次生代谢产物具有巨大的化学多样性和生物活性，通过整合初级代谢与次生代谢的调控网络，并利用转录因子、基因工程和微生物异源表达等手段，可有效提高目标代谢物的产量。然而，代谢网络的复杂性导致预测性工程仍具挑战，未来需结合系统生物学和进化观点进行理性设计。