Genetic Manipulation of Biosynthetic Pathways in Mint
- 作者
- Lorenz K. Fuchs, Alistair H. Holland, Richard A. Ludlow, Ryan J. Coates, Harvey Armstrong, John A. Pickett, John L. Harwood, Simon Scofield
- 单位
- School of Biosciences, Cardiff University, Cardiff, United Kingdom; School of Chemistry, Cardiff University, Cardiff, United Kingdom
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2022）
- DOI
- 10.3389/fpls.2022.928178
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
通过遗传操作方法提高薄荷属植物精油（尤其是单萜类化合物薄荷醇和香芹酮）的产量并改善其组成，以满足工业和医药需求。
研究策略
系统综述了薄荷属植物中通过过表达内源或异源生物合成酶（如DXR、GPPS、LimS、MMR等）、利用RNAi或反义技术抑制靶基因（如MFS、LimS、L3H）、调控转录因子（MsYABBY5、MsMYB）以及非遗传手段（环境因素、植物生长调节剂）来改变单萜生物合成途径碳通量的研究。
核心内容
该文系统综述了薄荷属植物单萜生物合成途径的代谢工程研究进展。研究聚焦于通过遗传操作提高薄荷精油中薄荷醇和香芹酮等目标化合物的产量并改善其组成，主要策略包括过表达内源或异源生物合成酶、利用RNAi或反义技术抑制竞争性靶基因、调控转录因子以及组合多种工程手段。关键结果表明，过表达DXR可使精油产量增加44%至1.5倍，而将DXR过表达与MFS抑制叠加时产量增幅可达78%；反义抑制MFS可使薄荷呋喃减少35%至55%、胡薄荷酮减少40%至60%并提高薄荷醇含量；LimS的RNAi在导致柠檬烯减少65%至98%的同时，也使香芹酮减少67%至91%。在转录因子层面，MsYABBY5的RNAi使总单萜含量增加20%至77%，MsMYB的RNAi则带来2.3至4.5倍的提升。此外，在烟草中异源共表达薄荷GPPS小亚基与limonene合成酶可使柠檬烯瞬时产量增加22至35倍。这些结果表明，通过靶向关键酶和转录因子调控碳通量，结合组织特异性启动子与多基因叠加策略，能有效重塑单萜代谢网络；同时环境因素和植物生长调节剂对精油品质的影响也需在实际生产中加以整合考虑。
创新点
总结了近年来薄荷代谢工程的主要进展，包括利用组织特异性启动子、转录因子调控、组合策略（如DXR过表达与MFS抑制叠加）以及异源表达和微生物生产，为薄荷精油品质改良提供了新的思路和证据。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Mentha × piperita | MEP途径 | DXR | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase | 催化 | 过表达DXR使精油产量增加44%（Lange et al., 2011） |
| Mentha × piperita | 薄荷醇生物合成途径 | MFS | menthofuran synthase | 催化 | 反义RNA抑制MFS导致menthofuran减少35-55%、pulegone减少40-60%（Mahmoud & Croteau, 2001） |
| Mentha × piperita | 单萜生物合成途径 | GPPS（AgGPPS） | geranyl diphosphate synthase | 催化 | 过表达AgGPPS使油产量增加18%（Lange et al., 2011） |
| Nicotiana tabacum | 单萜生物合成途径 | MpGPPS.SSU | geranyl diphosphate synthase small subunit（薄荷） | 催化 | 与PaLimS共表达使limonene产量稳定增加4-8倍（Yin et al., 2017） |
| Mentha × piperita | 薄荷醇生物合成途径 | LimS | (-)-limonene synthase | 催化 | 过表达对油组成影响因品系而异（Diemer et al., 2001） |
| Mentha spicata | 单萜生物合成途径 | LimS | (-)-limonene synthase | 催化 | RNAi抑制导致limonene减少65-98%、carvone减少67-91%（Li et al., 2020） |
| Mentha × piperita | 薄荷醇生物合成途径 | L3H | (-)-limonene-3-hydroxylase | 催化 | 共抑制L3H导致limonene积累至80%（Mahmoud et al., 2004） |
| Mentha × piperita | 薄荷醇生物合成途径 | MMR | menthone:(-)-menthol reductase | 催化 | 用LimS启动子驱动过表达，menthol比例升高至26.4%（Vining et al., 2017） |
| Mentha spicata | 单萜生物合成调控 | MsYABBY5 | YABBY转录因子 | 调控 | RNAi使总单萜含量增加20-77%，过表达减少23-52%（Wang et al., 2016） |
| Mentha spicata | 单萜生物合成调控 | MsMYB | R2R3-MYB转录因子 | 调控 | RNAi使总单萜含量增加2.3-4.5倍，通过抑制GPPS.LSU表达（Reddy et al., 2017） |
| Mentha × piperita f. citrata | 单萜生物合成/脂质转运 | NtLTP1 | 脂质转移蛋白 | 转运 | 过表达使limonene增加1.6倍、3-pinanone增加22倍（Hwang et al., 2020） |
| Escherichia coli | 薄荷醇生物合成途径 | Δ5-3-ketosteroid isomerase | Δ5-3-ketosteroid isomerase | 催化 | 工程化后IPGI活性提高4.3倍（Currin et al., 2018） |
关键发现
- 过表达DXR使精油产量增加44%（1.5倍）（Mahmoud & Croteau, 2001
- Lange et al., 2011）
- MFS反义抑制使menthofuran减少35-55%、pulegone减少40-60%，menthol含量增加（Mahmoud & Croteau, 2001）
- MFS7A与DXR过表达组合使精油产量增加高达78%（Lange et al., 2011）
- LimS RNAi使limonene减少65-98%、carvone减少67-91%，但倍半萜增加38-96%（Li et al., 2020）
- 转录因子MsYABBY5 RNAi使总单萜含量增加20-77%，过表达减少23-52%（Wang et al., 2016）
- MsMYB RNAi使总单萜含量增加2.3-4.5倍（Reddy et al., 2017）
- MpGPPS.SSU与PaLimS共表达在烟草中使limonene产量瞬时增加22-35倍，稳定表达增加4-8倍（Yin et al., 2017）
- NtLTP1过表达使limonene增加1.6倍、3-pinanone增加22倍（Hwang et al., 2020）。
研究结论
代谢工程是改良薄荷精油产量和组成的有力工具。通过调控关键酶基因（如DXR、MFS、LimS、MMR等）和转录因子（MsYABBY5、MsMYB），已能显著改变单萜通量并提高目标化合物含量。结合组织特异性启动子和多重工程策略可进一步优化效果。此外，环境因素与植物生长调节剂也影响精油品质，需在实际生产中综合考虑。