Terpene Biosynthesis in Glandular Trichomes of Hop
- 作者
- Guodong Wang, Li Tian, Naveed Aziz, Pierre Broun, Xinbin Dai, Ji He, Andrew King, Patrick X. Zhao, Richard A. Dixon
- 单位
- The Samuel Roberts Noble Foundation, Ardmore, Oklahoma; University of York, York
- 杂志
- Plant Physiology（2008）
- DOI
- 10.1104/pp.108.125187
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析啤酒花腺毛中主要萜烯类香气成分（单萜和倍半萜）生物合成的分子基础，鉴定催化关键步骤的酶。
研究策略
构建啤酒花腺毛cDNA文库，通过EST测序和生物信息学注释发现候选萜烯合酶基因，并在大肠杆菌中异源表达进行功能鉴定，结合动力学分析和组织表达模式验证其体内功能。
核心内容
该研究通过构建啤酒花腺毛cDNA文库并进行EST测序，共获得9,816条高质量序列，组装成3,619个unigenes，从中筛选并克隆了多个候选萜烯合酶基因。将四个候选基因在大肠杆菌中异源表达并纯化后进行功能鉴定，结果表明HIMTS2以GPP为底物专一生成月桂烯，其Km值为7.65±2.40 μM；HISTS1以FPP为底物生成70%蛇麻烯和25%石竹烯，Km值为0.70±0.07 μM；HISTS2以FPP为底物生成germacrene A，该产物在气相色谱高温条件下重排为β-榄香烯，Km值为0.49±0.04 μM。组织表达分析显示，成熟腺毛中月桂烯约占单萜总量的80%，蛇麻烯和石竹烯合计约占倍半萜的85%，且不同合酶基因在腺毛发育不同阶段呈现差异化表达。该研究首次从分子水平阐明了啤酒花主要香气萜烯的生物合成途径，所鉴定的HIMTS2和HISTS1为啤酒花香气品质改良及萜烯类化合物的异源微生物生产提供了关键的基因资源。
创新点
首次从啤酒花腺毛cDNA文库中功能性鉴定出催化生成主要单萜（月桂烯）和倍半萜（蛇麻烯、石竹烯）的萜烯合酶；发现一个倍半萜合酶生成germacrene A（在气相色谱高温下重排为β-榄香烯），并揭示其与蛇麻烯合酶的高同源性但产物差异。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 大肠杆菌 | 单萜生物合成 | HIMTS2 | Hop Monoterpene Synthase 2 | 催化 | 以GPP为底物生成月桂烯，Km=7.65±2.40 μM |
| 大肠杆菌 | 单萜生物合成 | HIMTS1 | Hop Monoterpene Synthase 1 | 催化 | 未能检测到单萜合酶活性，可能与底物或其他因素有关 |
| 大肠杆菌 | 倍半萜生物合成 | HISTS1 | Hop Sesquiterpene Synthase 1 | 催化 | 以FPP为底物生成70%蛇麻烯和25%石竹烯，Km=0.70±0.07 μM |
| 大肠杆菌 | 倍半萜生物合成 | HISTS2 | Hop Sesquiterpene Synthase 2 | 催化 | 以FPP为底物生成germacrene A，GC高温下重排为β-榄香烯，Km=0.49±0.04 μM |
| 啤酒花腺毛 | 苦味酸/黄酮类生物合成 | VPS | valerophenone synthase | 催化 | 高丰度表达，催化苯丁酮合成 |
| 啤酒花腺毛 | 类黄酮生物合成 | CHS2 | chalcone synthase 2 | 催化 | 高丰度表达，参与查尔酮合成 |
| 啤酒花腺毛 | 萜烯前体合成（MEP途径） | DXPS | 1-Deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | MEP途径第一个酶，EST有6条 |
| 啤酒花腺毛 | 萜烯前体合成（MEP途径） | DXR | 1-Deoxy-D-xylulose-5-phosphate reductoisomerase | 催化 | MEP途径酶，EST有2条 |
关键发现
- 构建了啤酒花腺毛cDNA文库，获得9,816条高质量EST序列，组装成3,619个unigenes
- HIMTS2以GPP为底物专一生成月桂烯，其Km值为7.65±2.40 μM
- HISTS1以FPP为底物生成70%蛇麻烯和25%石竹烯，Km值为0.70±0.07 μM
- HISTS2以FPP为底物生成germacrene A（GC高温下重排为β-榄香烯），Km值为0.49±0.04 μM
- 成熟腺毛中月桂烯占单萜的约80%，蛇麻烯和石竹烯合计占倍半萜的约85%
- HISTS2在幼叶中高表达，而HIMTS1/2在开花后4周的腺毛中表达最高。
研究结论
啤酒花腺毛中月桂烯、蛇麻烯和石竹烯的合成分别由单萜合酶HIMTS2和倍半萜合酶HISTS1催化，该研究为啤酒花香气改良和萜烯代谢工程提供了基因资源。