Monoterpene biosynthesis potential of plant subcellular compartments
- 作者
- Lemeng Dong, Esmer Jongedijk, Harro Bouwmeester, Alexander Van Der Krol
- 单位
- Laboratory of Plant Physiology, Wageningen University, Droevendaalsesteeg 1, 6708 PB, Wageningen, the Netherlands
- 杂志
- New Phytologist（2016）
- DOI
- 10.1111/nph.13629
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探究植物不同亚细胞区室（质体、胞质、线粒体）的单萜生物合成潜力，并量化区室间香叶基二磷酸（GDP）的交换能力。
研究策略
将缬草来源的香叶醇合酶（VoGES）和挪威云杉来源的GDP合酶（PaGDPS1）分别靶向质体、胞质和线粒体，在本塞姆氏烟草中瞬时共表达，通过GC-MS和LC-MS分析香叶醇及其糖苷衍生物产量，从而评估各区室GDP可用性及交换效率。
核心内容
该研究利用本塞姆氏烟草瞬时表达系统，将缬草香叶醇合酶（VoGES）和挪威云杉香叶基二磷酸合酶（PaGDPS1）分别靶向质体、胞质和线粒体，系统比较了植物不同亚细胞区室的单萜生物合成潜力，并量化了区室间GDP前体的交换能力。通过GC-MS和LC-MS检测香叶醇及其糖苷衍生物产量，发现质体靶向VoGES的产物水平最高，线粒体次之，胞质最低。共表达质体靶向PaGDPS1使质体靶向VoGES的游离香叶醇释放增加118倍，总香叶醇衍生物约129 μg g^-1 FW，同时内源单萜产量提升至28倍。GDP交换呈现方向性与选择性：线粒体产生的GDP几乎100%可供质体利用，胞质GDP不能进入质体，质体GDP仅有约7%可进入线粒体。结果表明植物质体是单萜合成的最优区室，质体与线粒体间存在高效的GDP交换机制，而胞质至质体的前体供给受限。该发现为植物萜类代谢工程提供了明确的区室化改造策略。
创新点
首次系统比较三个亚细胞区室的单萜合成潜力；通过不同区室GDP合酶的共表达，揭示GDP在质体-线粒体-胞质间的非对称单向或双向交换模式；发现从线粒体到质体的GDP交换效率接近100%，而胞质到质体无交换。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nicotiana benthamiana | 单萜生物合成 | VoGES | 香叶醇合酶 | 催化 | 来自缬草，实验中分别靶向质体（P-）、胞质（C-）和线粒体（M-） |
| Nicotiana benthamiana | 类异戊二烯前体合成 | PaGDPS1 | 香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 来自挪威云杉，分别靶向质体、胞质、线粒体，用于提升局部GDP水平 |
| Nicotiana benthamiana | 类异戊二烯前体合成 | PaGDPS2 | 香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 来自挪威云杉，实验中未显示提升活性 |
| Nicotiana benthamiana | 类异戊二烯前体合成 | AtGDPS | 香叶基二磷酸合酶（实际可能为多萜醇焦磷酸合酶） | 催化 | 来自拟南芥，未提升香叶醇产量 |
关键发现
- 质体靶向VoGES的产物水平最高，线粒体次之，胞质最低
- 共表达质体靶向PaGDPS1使质体靶向VoGES的游离香叶醇释放增加118倍，总香叶醇衍生物约129 μg g^-1 FW
- 线粒体靶向PaGDPS1使质体靶向VoGES游离香叶醇增加76倍
- 胞质靶向PaGDPS1使胞质靶向VoGES游离香叶醇增加30倍
- 线粒体靶向PaGDPS1使线粒体靶向VoGES游离香叶醇增加70倍
- GDP交换方面：线粒体产生的GDP几乎100%可用于质体，胞质产生的GDP约31/36单位可用于线粒体，而胞质GDP不能进入质体，质体GDP仅有约7%可进入线粒体
- 共表达质体靶向PaGDPS1与质体靶向VoGES使内源单萜（月桂烯、萜品烯、柠檬烯、罗勒烯）增加至28倍。
研究结论
植物质体具有最高的单萜生物合成潜力；GDP在亚细胞区室间的交换具有方向性和选择性，质体-线粒体间存在高效GDP交换机制（可能通过膜接触位点），而胞质GDP不能进入质体。该研究为植物萜类代谢工程优化提供了区室化策略。