Terpenoid biosynthesis in trichomes—current status and future opportunities
- 作者
- B. Markus Lange, Glenn W. Turner
- 单位
- Institute of Biological Chemistry, M.J. Murdock Metabolomics Laboratory, Washington State University, Pullman, WA, USA
- 杂志
- Plant Biotechnology Journal（2013）
- DOI
- 10.1111/j.1467-7652.2012.00737.x
- 所属领域
- 植物代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
腺毛是植物合成和分泌萜类次生代谢物的特化结构，但关于萜类在腺毛中的生物合成、亚细胞定位与分泌机制的系统认识仍有限，制约了通过代谢工程提高产萜类植物产量的进程。
研究策略
以薄荷等模式植物为核心，结合形态学、超微结构观察、免疫细胞化学定位、转录组测序和生化功能表征，系统综述腺毛中单萜/倍半萜/二萜等萜类生物合成的细胞生物学基础，并评估代谢工程应用前景。
核心内容
该文系统综述了以薄荷为主要模式植物、并结合黄花蒿及松树等物种的腺毛萜类生物合成研究进展。作者整合形态学、超微结构观察、免疫细胞化学定位、转录组测序及生化功能表征等多种手段，阐明了单萜p-薄荷烷途径中各酶在亚细胞区室中的分布：香叶基焦磷酸合酶与(-)-柠檬烯合酶定位于白质体，(-)-柠檬烯3-羟化酶位于光滑内质网，(-)-异胡薄荷醇脱氢酶位于线粒体，而(+)-蒲勒酮还原酶及薄荷酮还原酶等则分布于细胞质和细胞核。研究揭示了膜接触位点可能参与萜类转运，并发现番茄腺毛中存在以Z,Z-法尼基焦磷酸为底物的新型倍半萜合成途径。关键数据显示，每个薄荷盾状腺毛分泌细胞约25小时可分泌相当于自身体积的精油，单萜跨膜通量约1.8 fmol/μm²/h。此外，单个氨基酸替换(F363I)即可改变留兰香柠檬烯羟化酶的区域选择性。这些发现表明腺毛是高效的萜类合成微工厂，其产量与腺毛数量直接相关，为通过调控腺毛发育和改造代谢途径优化精油产量提供了重要理论依据。
创新点
整合多尺度证据，阐明了薄荷p-薄荷烷单萜途径中不同步骤酶在白质体、内质网、线粒体、细胞质等亚细胞区室中的分布及其协同关系；提出膜接触位点在萜类转运中的可能作用；汇总了利用腺毛转录组测序发现新基因的策略，并指出通过调控腺毛发育可显著提高精油产量。
研究对象（18）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Mentha × piperita (薄荷) 盾状腺毛 | MEP途径/单萜生物合成 (p-薄荷烷途径) | GPPS (geranyl pyrophosphate synthase gene) | 香叶基焦磷酸合酶 | 催化 | 定位于腺毛分泌细胞白质体，仅在分泌期丰富表达，为单萜合成提供GPP底物 |
| Mentha × piperita (薄荷) 盾状腺毛 | 单萜生物合成 (p-薄荷烷途径) | LS (limonene synthase gene) | (-)-(4S)-柠檬烯合酶 | 催化 | 定位于白质体，催化GPP环化生成(-)-柠檬烯 |
| Mentha × piperita (薄荷) 盾状腺毛 | 单萜生物合成 (p-薄荷烷途径) | CYP71D13 (limonene 3-hydroxylase gene) | (-)-柠檬烯3-羟化酶 | 催化 | 定位于光滑内质网(SER)，催化(-)-柠檬烯C3位羟基化 |
| Mentha × piperita (薄荷) 盾状腺毛 | 单萜生物合成 (p-薄荷烷途径) | ISPD (isopiperitenol dehydrogenase gene) | (-)-反式异胡薄荷醇脱氢酶 | 催化 | 定位于线粒体，氧化异胡薄荷醇生成异胡薄荷酮 |
| Mentha × piperita (薄荷) 盾状腺毛 | 单萜生物合成 (p-薄荷烷途径) | PulR (pulegone reductase gene) | (+)-蒲勒酮还原酶 | 催化 | 定位在细胞质，催化蒲勒酮还原为薄荷酮和异薄荷酮 |
| Mentha × piperita (薄荷) 盾状腺毛 | 单萜生物合成 (p-薄荷烷途径) | MMR (menthone:menthol reductase gene) | (-)-薄荷酮/(-)-薄荷醇还原酶 | 催化 | 定位在细胞质和细胞核，催化薄荷酮还原为薄荷醇，此过程发生在精油分泌后期 |
| Mentha spicata (留兰香) 盾状腺毛 | 单萜生物合成 | CYP71D18 (limonene 6-hydroxylase gene) | (-)-柠檬烯6-羟化酶 | 催化 | 定位于内质网，催化(-)-柠檬烯C6位羟基化；单氨基酸F363I替换可将其区域选择性变为C3 |
| Artemisia annua (黄花蒿) 腺毛 | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | 多功能倍半萜氧化酶CYP71AV1 | 催化 | 催化紫穗槐二烯氧化为青蒿酸前体 |
| Artemisia annua (黄花蒿) 腺毛 | 青蒿素生物合成 | DBR2 (artemisinic aldehyde Δ11(13) reductase) | 青蒿醛Δ11(13)还原酶 | 催化 | 催化青蒿醛还原为二氢青蒿醛 |
| Artemisia annua (黄花蒿) 腺毛 | 青蒿素生物合成 | ALDH1 (aldehyde dehydrogenase 1) | 醛脱氢酶1 | 催化 | 催化二氢青蒿醛氧化为二氢青蒿酸 |
| Ocimum basilicum (甜罗勒) 腺毛 | 单萜/倍半萜生物合成 | MYS, GES, ZIS, GDS 等 | β-月桂烯合酶、香叶醇合酶、α-姜黄烯合酶、大牻牛儿烯D合酶等 | 催化 | 基于腺毛EST测序鉴定了多个单萜和倍半萜合酶 |
| Solanum lycopersicum (番茄) 腺毛 | 单萜生物合成 | NDPS1 (neryl diphosphate synthase gene) | 橙花基焦磷酸合酶 | 催化 | 利用NPP而非GPP作为单萜合成前体，是番茄腺毛单萜合成的关键 |
| Solanum habrochaites (野生番茄) 腺毛 | 倍半萜生物合成 (非经典Z,Z-FPP途径) | zFPS (Z,Z-farnesyl pyrophosphate synthase gene) | Z,Z-法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 定位于质体，催化形成Z,Z-FPP，为新型倍半萜途径提供前体 |
| Solanum habrochaites (野生番茄) 腺毛 | 倍半萜生物合成 (santalene/bergamotene途径) | SBS (santalene/bergamotene synthase gene) | α-檀香烯/α-佛术烯/β-佛术烯合酶 | 催化 | 与zFPS共同定位于质体，利用Z,Z-FPP合成倍半萜 |
| Nicotiana tabacum (烟草) 腺毛 | 二萜生物合成 (西柏烯途径) | CYC-1 (cembratrienol synthase gene) | α/β-西柏三烯醇合酶 | 催化 | 催化香叶基香叶基焦磷酸环化生成西柏三烯醇 |
| Humulus lupulus (啤酒花) 腺毛 | 苦味酸/萜类生物合成 | VPS (valerophenone synthase gene) | 戊基苯酮合酶 | 催化 | 专一表达于蛇麻腺，催化苯甲酰辅酶A与丙二酰辅酶A缩合 |
| Cannabis sativa (大麻) 腺毛 | 大麻素生物合成 | OLS (olivetol synthase gene) | 橄榄醇合酶 | 催化 | 催化己酰辅酶A和丙二酰辅酶A形成橄榄醇，进入大麻素生物合成 |
| 植物腺毛分泌细胞 | 单萜生物合成/亚细胞转运 | — | 白质体和内质网膜接触位点 (leucoplast-ER membrane contact sites) | 区室化 | 白质体被螺旋状内质网包裹，膜接触位点密集，推测参与萜类中间体非囊泡转运 |
关键发现
- 每个薄荷盾状腺毛分泌细胞在约25小时内可分泌出相当于自身体积的精油
- 单萜跨越分泌细胞质膜的通量约为1.8 fmol/μm²/h
- 薄荷叶片精油产量与腺毛数量成正比，即使在生长环境不同时，连续不同叶位的腺毛数量也呈遗传控制的渐进增加（每对新叶比前一对多数千个腺毛）。在薄荷中，香叶基焦磷酸合酶和(-)-柠檬烯合酶定位在白质体，(-)-柠檬烯3-羟化酶定位在光滑内质网(SER)，(-)-异胡薄荷醇脱氢酶定位在线粒体，而(+)-蒲勒酮还原酶、(-)-薄荷酮/(-)-薄荷醇还原酶等定位在细胞质和细胞核
- (-)-薄荷酮在腺毛分泌后期可被缓慢还原为薄荷醇。在松树树脂道中，白质体体积占细胞质的比例是叶绿体占叶肉细胞比例的2.5倍，表面积是后者的3倍
- 在45个物种的相关性研究中，白质体存在和体积与单萜分泌量强相关。番茄腺毛中发现了以Z,Z-法尼基焦磷酸(zFPP)为底物的新型倍半萜合成途径，zFPP合酶和檀香烯/佛术烯合酶均定位在质体。此外，一个氨基酸替换(F363I)即可将留兰香柠檬烯羟化酶的C6区域选择性转变为C3，表明该类P450具有可改造的酸碱选择性。
研究结论
腺毛是天然高效的萜类合成微工厂，其分泌物产量与腺毛数量直接相关；亚细胞区室化、膜接触位点和基质流动对萜类合成与转运至关重要；基于腺毛转录组测序的基因挖掘策略已成功应用于多种植物，未来可通过改造腺毛发育和代谢途径实现精油产量与成分的优化。