Metabolic engineering of volatile isoprenoids in plants and microbes
- 作者
- Claudia E. Vickers, Mareike Bongers, Qing Liu, Thierry Delatte, Harro Bouwmeester
- 单位
- Australian Institute for Bioengineering and Nanotechnology, The University of Queensland, St Lucia, Queensland 4072, Australia; Laboratory of Plant Physiology, Wageningen University, Wageningen 6708 PB, The Netherlands
- 杂志
- Plant, Cell & Environment（2014）
- DOI
- 10.1111/pce.12316
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
挥发性类异戊二烯在植物和微生物中的生物合成利用与代谢工程改造，以及实现其作为信号分子、工业化学品和燃料等应用所面临的挑战。
研究策略
系统综述挥发性类异戊二烯的生物合成途径（MVA和MEP）、植物和微生物中的代谢工程策略（包括前体供应、区室化、转录因子工程、瞬时表达等），并使用案例研究（植食性昆虫与天敌、异戊二烯、微生物单萜生产）说明进展。
核心内容
该研究系统综述了挥发性类异戊二烯在植物与微生物中的代谢工程改造策略，涵盖甲羟戊酸（MVA）和甲基赤藓醇磷酸（MEP）两条生物合成途径。作者整合了前体供应强化、区室化改造、转录因子工程及瞬时表达等手段，并以多个案例说明进展：薄荷中过表达DXR使精油产量提高50%，反义抑制薄荷呋喃合酶使其含量减少超过50%；线粒体靶向表达大牻牛儿烯A合酶较胞质定位产量提升15倍；过表达转录因子AaORA使青蒿素含量增加约50%。据估算，全球植物挥发性有机物年排放量达500至1200 Tg碳，类异戊二烯化合物逾七万种，占已知天然产物三分之一。研究结果表明，跨植物和微生物系统的工程方法已能实现特定挥发性异戊二烯的可控生产，在害虫防治、果实风味改良及生物燃料等领域具备应用潜力，未来需借助系统与合成生物学工具进一步解决产物特异性和代谢负担等问题。
创新点
整合植物和微生物两个系统的工程方法，提出通过区室化改造（如线粒体靶向）、转录因子工程、瞬时表达系统、代谢组学指导等方法优化挥发性类异戊二烯生产；案例研究展示了具体的应用前景。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP pathway | FaNES | 芳樟醇/橙花叔醇合酶（双功能） | 催化 | 表达芳樟醇合酶可驱避蚜虫、阻止 Helicoverpa armigera 产卵；靶向质体主要产生芳樟醇。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MVA pathway | (E)-β-farnesene synthase | (E)-β-法尼烯合酶 | 催化 | 产生(E)-β-法尼烯，驱避蚜虫并吸引寄生蜂。 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | MVA pathway | patchoulol synthase | 广藿香醇合酶 | 催化 | 转基因烟草对烟草天蛾吸引力降低。 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | MEP pathway | geraniol synthase | 香叶醇合酶 | 催化 | 果实产生香叶醇，改善风味。 |
| 薄荷 (Mentha × piperita) | MEP pathway | DXR | DXP还原异构酶 | 催化 | 过表达使精油产量提高50%。 |
| 薄荷 (Mentha × piperita) | MEP pathway | menthofuran synthase | 薄荷呋喃合酶 | 催化 | 反义敲低使薄荷呋喃产量减少>50%。 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | MVA pathway | AaERF1/AaERF2/AaORA | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 过表达上调青蒿素途径基因，增加青蒿素积累。 |
| 本氏烟 (Nicotiana benthamiana) | MVA pathway | germacrene A synthase | 大牻牛儿烯A合酶 | 催化 | 线粒体靶向较胞质定位产量提高15倍。 |
| 大肠杆菌 (Escherichia coli) | MEP pathway | IspS | 异戊二烯合酶 | 催化 | 异源表达生产异戊二烯，需去除质体靶肽。 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MVA pathway | HMGR | HMG-CoA还原酶 | 催化 | 过表达增加类异戊二烯前体供应。 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | MVA pathway | germacrene A synthase | 大牻牛儿烯A合酶 | 催化 | 不同来源的合酶效率差异可达近3倍。 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | MEP pathway | GPP synthase small subunit (SSU) | 香叶基二磷酸合酶小亚基 | 调控 | 调节 GPP 合酶产物特异性，与香叶醇合酶共表达增加香叶醇产量。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP pathway | HDR | HMBPP还原酶 | 催化 | 过表达增加类异戊二烯产量。 |
关键发现
- 全球植物挥发性有机物排放量约500-1200 Tg C/年，占生物圈-大气碳交换的2-3%
- 类异戊二烯类化合物超过70,000种，约占已知天然产物的1/3
- 在薄荷中过表达DXR使精油产量提高50%
- 反义抑制薄荷呋喃合酶使薄荷呋喃减少>50%
- 线粒体靶向表达germacrene A合酶较胞质定位产量提高15倍
- 酵母中不同germacrene A合酶效率差异近3倍
- 过表达AaORA使青蒿素增加约50%，双氢青蒿酸增加35%。
研究结论
通过对植物和微生物中挥发性类异戊二烯代谢途径的工程改造，已能实现对特定挥发性化合物的生产和调控，在害虫防治、花香/果实风味改良、工业化学品及生物燃料生产等方面展现出应用前景。未来需要结合系统与合成生物学工具，解决产物特异性、代谢负担和生物转化等挑战，以实现高效生产。