Metabolic engineering of plant monoterpenes, sesquiterpenes and diterpenes—current status and future opportunities
- 作者
- B. Markus Lange, Amirhossein Ahkami
- 单位
- Institute of Biological Chemistry and M.J. Murdock Metabolomics Laboratory, Washington State University, Pullman, WA, USA
- 杂志
- Plant Biotechnology Journal（2013）
- DOI
- 10.1111/pbi.12022
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物来源的单萜、倍半萜和二萜类化合物具有重要的药物和工业应用价值，但其自然资源有限、化学合成不经济，且许多高价值萜类不在模式植物中积累，缺乏可用于育种的遗传资源。如何通过代谢工程在原生或异源植物中提高这些萜类化合物的产量和可获取性是该领域面临的核心问题。
研究策略
系统综述了植物萜类代谢工程的研究进展，重点分析了以下策略：过表达MVA/MEP途径关键酶（如DXS、DXR、HMGR）以增加前体供给；异源表达或共表达萜类合酶（如单萜合酶、倍半萜合酶、二萜合酶）；通过亚细胞区室化靶向（质体、线粒体、细胞质）优化前体与酶的匹配；利用组织特异性或诱导型启动子控制表达；通过反义/共抑制下调竞争途径；以及多基因共表达和代谢产物修饰酶（如P450、糖基转移酶）的引入。
核心内容
该文系统综述了通过代谢工程提高植物单萜、倍半萜和二萜产出的研究进展，重点分析了前体供给增强、萜类合酶异源表达、亚细胞区室化靶向、组织特异性调控及竞争途径下调等策略。作者将不同研究中以不同单位报道的产量统一换算为重量百分比以便比较，并指出非预期产物修饰（如糖基化、氧化）常影响工程效果。关键结果包括：薄荷过表达DXR使精油产量提高44%，穗薰衣草过表达拟南芥DXS使叶精油产量提高359%；烟草反义抑制P450羟化酶使cembratrienol积累提高19倍达干叶4.3%；拟南芥表达草莓FaNES1并靶向质体时S-芳樟醇衍生物积累达鲜重0.014%。这些结果说明，成功的萜类代谢工程需综合考虑前体供给、区室化定位与产物后续修饰的协同匹配。该综述为利用合成生物学工具实现多基因协同调控、推动高价值萜类可持续生产提供了系统参考，并强调开发植物遗传资源与提高转化效率是未来方向。
创新点
全面总结了植物单萜、倍半萜和二萜代谢工程的最新进展，强调了亚细胞区室化对工程成败的决定性影响；将不同研究中以不同单位报道的萜类产量统一换算为重量百分比，便于直接比较；指出了代谢工程中非预期产物修饰（如糖基化、氧化）对工程效果的影响，并提出了未来利用化学生态学原理设计植物防御性状的思路。
研究对象（21）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Petunia × hybrida W115 | 单萜生物合成 | LIS | S-linalool synthase | 催化 | 来自Clarkia breweri的S-芳樟醇合酶，在花中产生微量S-芳樟醇，在叶中主要以S-芳樟基-β-D-吡喃葡萄糖苷积累 |
| Dianthus caryophyllus cv. Eilat | 单萜生物合成 | LIS | S-linalool synthase | 催化 | 来自C. breweri的S-芳樟醇合酶，花中产生S-芳樟醇（占总挥发物6%）及顺/反式氧化物（4.5%） |
| Solanum lycopersicum | 单萜生物合成 | LIS | S-linalool synthase | 催化 | 来自C. breweri，受果实特异性E8启动子驱动，产生S-芳樟醇及其氧化产物8-羟基芳樟醇，不影响类胡萝卜素水平 |
| Solanum lycopersicum | 单萜生物合成 | GES | geraniol synthase | 催化 | 来自甜罗勒，果实特异性启动子驱动，产生香叶醇及多种衍生物，挥发物约4 μg/g，类胡萝卜素衍生萜类减少40-50% |
| Nicotiana tabacum | 单萜生物合成 | γ-TPS, (+)-LS, β-PS | γ-terpinene synthase, (+)-limonene synthase, β-pinene synthase | 催化 | 来自柠檬的3个单萜合酶在烟草中共表达，花中释放多种单萜，早期释放速率比野生型高约9倍 |
| Nicotiana tabacum | 单萜生物合成 | LIM3H | limonene 3-hydroxylase | 催化 | 来自薄荷，与柠檬烯合酶共表达，将(+)-柠檬烯转化为(+)-反式异胡椒烯醇及进一步氧化产物 |
| Nicotiana tabacum | 二萜生物合成 | BGL1 | β-glucosidase | 催化 | 来自黑曲霉，靶向细胞壁或ER时释放二萜cembrene和反式石竹烯 |
| Arabidopsis thaliana | 单萜/倍半萜生物合成 | FaNES1 | linalool/nerolidol synthase | 催化 | 来自草莓，靶向质体，产生S-芳樟醇及其羟基化糖基化衍生物（可达0.014%鲜重），倍半萜nerolidol微量 |
| Arabidopsis thaliana | 倍半萜生物合成 | FaNES1 (mitochondrial targeting) | linalool/nerolidol synthase | 催化 | 靶向线粒体时产生(3S,6E)-nerolidol及C11-高萜，吸引捕食螨 |
| Nicotiana tabacum cv. Xanthi | 倍半萜生物合成 | PTS, FPS | patchoulol synthase, farnesyl diphosphate synthase | 催化 | 共表达并靶向质体时广藿香醇积累达0.003%鲜重，并可驱避烟草天蛾 |
| Arabidopsis thaliana | 倍半萜生物合成 | TPS10 | sesquiterpene synthase TPS10 | 催化 | 来自玉米，产生多种倍半萜，吸引寄生蜂 |
| Arabidopsis thaliana | 倍半萜生物合成 | Eβf | (E)-β-farnesene synthase | 催化 | 来自薄荷，产生(E)-β-法尼烯，减少蚜虫定殖，吸引蚜虫天敌 |
| Mentha × piperita | MEP途径 | DXR | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate reductoisomerase | 催化 | 过表达DXR使精油产量提高44%（温室）或18%（田间） |
| Mentha × piperita | MEP途径 | IPI | isopentenyl diphosphate isomerase | 催化 | 过表达使油产量提高26% |
| Mentha × piperita | 单萜生物合成 | GPPS | geranyl diphosphate synthase | 催化 | 来自冷杉，过表达使油产量提高18%，且油组成改善 |
| Lavandula latifolia | MEP途径 | DXS | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase | 催化 | 过表达拟南芥DXS使叶精油产量提高359%，花提高74% |
| Lavandula latifolia | MVA途径 | HMGR (truncated) | 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase | 催化 | 过表达截短HMGR使精油产量提高约2倍，甾醇提高2.7倍 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | HMGR | 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase | 催化 | 过表达HMGR提高青蒿素含量 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | AaWRKY1 | AaWRKY1 transcription factor | 调控 | 转录因子，调控紫穗槐-4,11-二烯合酶基因表达 |
| Nicotiana tabacum | 二萜生物合成 | P450 hydroxylase | cytochrome P450 monooxygenase | 催化 | 反义抑制该P450使cembratrienol积累提高19倍，达干叶4.3%，增强对蚜虫的抗性 |
| Citrus sinensis | 单萜生物合成 | LS | limonene synthase | 催化 | 反义抑制柠檬烯合酶降低果皮柠檬烯含量，增强对真菌/细菌的抗性并减少果蝇吸引 |
关键发现
- 矮牵牛中表达S-芳樟醇合酶，花中痕量S-芳樟醇，叶片中S-芳樟基-β-D-吡喃葡萄糖苷积累达鲜重0.001%
- 香石竹中S-芳樟醇占总挥发物6%，顺/反式芳樟醇氧化物占4.5%
- 番茄表达香叶醇合酶后挥发物产量约4 μg/g（0.0004%鲜重），类胡萝卜素衍生萜类减少40-50%
- 薄荷过表达DXR使精油产量提高44%（温室）和18%（田间），过表达IPI提高26%，过表达冷杉GPPS提高18%
- 穗薰衣草过表达拟南芥DXS使叶精油产量提高359%、花提高74%，过表达截短HMGR使精油产量提高约2倍、甾醇提高2.7倍
- 烟草反义抑制P450羟化酶使cembratrienol积累提高19倍，达干叶4.3%
- 烟草质体共表达广藿香醇合酶与FPS使广藿香醇积累达鲜重0.003%
- 拟南芥表达草莓FaNES1（靶向质体）时S-芳樟醇衍生物积累达0.014%鲜重。
研究结论
代谢工程是改善植物单萜、倍半萜和二萜产量与可获取性的最现实途径。成功的代谢工程需要综合考虑前体供给、亚细胞区室化、组织特异性表达以及产物的后续修饰。未来应加强植物遗传资源开发、提高转化效率，并利用合成生物学工具实现多基因协同调控，以实现萜类天然产物的高效可持续生产。