Isoprenoid Metabolism and Engineering in Glandular Trichomes of Lamiaceae
- 作者
- Soheil S. Mahmoud, Savanna Maddock, Ayelign M. Adal
- 单位
- Department of Biology, The University of British Columbia, Kelowna, BC, Canada
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2021）
- DOI
- 10.3389/fpls.2021.699157
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物中许多具有重要工业价值的类异戊二烯（如单萜和倍半萜）含量极低，而腺毛（GT）作为天然生物工厂可大量合成和储存这些化合物，如何通过代谢工程改造唇形科植物腺毛中的类异戊二烯代谢以提高目标产物产量是该综述要解决的核心问题。
研究策略
系统综述唇形科植物（薄荷属和薰衣草属）腺毛中类异戊二烯生物合成途径的工程化改造研究，包括过表达限速酶（DXS、DXR）、改变末端TPS基因表达、共抑制不良产物合成基因、利用转录因子调控以及异源表达TPS基因等策略。
核心内容
该综述系统梳理了唇形科薄荷属与薰衣草属植物腺毛中类异戊二烯代谢工程改造的研究进展。在策略层面，主要围绕增强MEP途径前体供给、调控末端萜烯合酶（TPS）表达、共抑制竞争性分支、利用转录因子调控及异源表达TPS基因等方向展开。在薄荷中过表达DXR使精油产量最多提升50%，而共抑制柠檬烯-3-羟化酶可使柠檬烯占精油总量从野生型的约2%升至超过80%，但共抑制薄荷呋喃酮合酶虽几乎消除该成分却导致植株白化、生长受抑。在留兰香中沉默转录因子MsYABBY5使萜烯水平提高20%–77%，抑制MsR2R3-MYB使总单萜丰度提高2.3–4.5倍。在宽叶薰衣草中过表达DXS使精油产量最高增加350%，异源表达S-芳樟醇合酶则使S-芳樟醇积累增加最多1000倍。这些结果表明，增强前体供给与转录因子调控效果显著，而单纯过表达TPS常受其他因素限制；未来利用腺毛特异性启动子、改善产物运输及增大腺毛密度与尺寸，有望进一步提升产量。
创新点
提出利用腺毛作为天然生物工厂的策略；整合了过表达、RNAi、转录因子调控、异源表达等多种代谢工程手段；讨论了通过改善前体供给、调控运输和腺毛发育等潜在新方向。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Mentha x piperita (peppermint) | MEP途径/单萜生物合成 | DXR (1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate reductoisomerase) | DXP还原异构酶 | 催化 | 过表达DXR使精油产量最多提高50% |
| Mentha x piperita (peppermint) | 单萜生物合成 | 4S-limonene synthase (4S-LimS) | 4S-柠檬烯合酶 | 催化 | 过表达导致部分植株蒎烯增加56%、1,8-桉叶素增加22-74%、胡薄荷酮增加18-40% |
| Mentha x piperita (peppermint) | 单萜生物合成 | Menthofuran synthase | 薄荷呋喃合酶 | 催化 | 反义或共抑制可消除薄荷呋喃积累，但共抑制植株出现白化 |
| Mentha x piperita (peppermint) | 单萜生物合成 | Limonene-3-hydroxylase | 柠檬烯-3-羟化酶 | 催化 | 共抑制后柠檬烯占精油总量超过80%（野生型约2%） |
| Mentha spicata (spearmint) | 单萜生物合成 | MsYABBY5 | YABBY转录因子 | 调控 | 沉默提高萜烯水平20-77%，过表达降低23-52% |
| Mentha spicata (spearmint) | 单萜生物合成 | MsR2R3-MYB | R2R3-MYB转录因子 | 调控 | RNAi抑制导致总单萜丰度增加2.3-4.5倍，负调控GPPS大亚基 |
| Mentha spicata (spearmint) | 单萜生物合成 | Limonene synthase (RNAi) | 柠檬烯合酶 | 催化 | RNAi沉默柠檬烯合酶大幅减少柠檬烯和香芹酮，并增加倍半萜、植物甾醇等 |
| Mentha spicata (spearmint) | 单萜异源合成 | Linalool synthase, myrcene synthase, geraniol synthase | 芳樟醇合酶、月桂烯合酶、香叶醇合酶 | 催化 | 异源表达Picea abies和Cananga odorata的TPS基因，仅产生少量异源萜烯且被宿主氧化 |
| Lavandula latifolia (spike lavender) | MEP途径/单萜生物合成 | DXS (1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase) | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 过表达使精油产量最大增加350% |
| Lavandula latifolia (spike lavender) | 单萜生物合成 | S-linalool synthase (LIS) from Clarkia breweri | S-芳樟醇合酶 | 催化 | 过表达使S-芳樟醇积累提高最多1000倍 |
| Lavandula x intermedia (lavandin) | 单萜生物合成 | 1,8-cineole synthase | 1,8-桉叶素合酶 | 催化 | RNAi抑制该基因显著降低1,8-桉叶素含量并改变精油香气 |
| Lavandula latifolia (spike lavender) | 单萜生物合成 | LiBPPS (L. x intermedia borneol diphosphate synthase) | 龙脑基二磷酸合酶 | 催化 | 正义表达增加龙脑和樟脑，但严重阻碍生长；反义表达降低龙脑和樟脑 |
关键发现
- 在薄荷中过表达4S-limonene synthase使部分转基因植株蒎烯增加56%，1,8-桉叶素增加22-74%，胡薄荷酮增加18-40%
- 过表达DXR使薄荷精油产量最多提高50%
- 共抑制薄荷呋喃酮合酶几乎完全消除薄荷呋喃酮产生，但植物白化且生长受抑
- 共抑制柠檬烯-3-羟化酶使柠檬烯占精油总量超过80%（野生型约2%）
- 沉默留兰香MsYABBY5使萜烯水平提高20%-77%，过表达导致萜烯降低23-52%
- 抑制MsR2R3-MYB使总单萜丰度提高2.3-4.5倍
- 在宽叶薰衣草中过表达DXS使精油产量最高增加350%
- 在宽叶薰衣草中过表达S-芳樟醇合酶使S-芳樟醇积累提高最多1000倍
- RNAi抑制1,8-桉叶素合酶显著降低1,8-桉叶素含量并改变精油香气
- L. x intermedia BPPS基因正义表达产生更多龙脑和樟脑，但严重阻碍植株生长。
研究结论
在薄荷和薰衣草中的代谢工程研究为未来工作铺平了道路：增强DXP途径前体供给（如过表达DXS、DXR）可显著提高类异戊二烯产量；过表达TPS基因效果往往不理想，说明存在除TPS表达外的其他限制因素；利用腺毛特异性启动子、改善类异戊二烯运输及增加腺毛大小和密度可能是提高产量的潜在途径，但需先鉴定相关基因/蛋白。