Breeding and Engineering Trees to Accumulate High Levels of Terpene Metabolites for Plant Defense and Renewable Chemicals
- 作者
- Gary F. Peter
- 单位
- School of Forest Resources and Conservation, Genetics Institute, University of Florida, Gainesville, FL, United States
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2018）
- DOI
- 10.3389/fpls.2018.01672
- 所属领域
- 植物生物技术/代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
如何通过育种和基因工程提高树木组织中萜烯类次生代谢物含量，以增强植物对害虫和病原菌的防御能力，并为可再生化学品和生物燃料提供更多原料。
研究策略
综述了三种协同策略：增加分泌组织（树脂道/油腺）的数量、增大分泌组织的腔体储存体积、增强碳通量进入萜烯生物合成途径（主要是MEP途径），并整合传统育种与基因工程方法。
核心内容
该综述系统探讨了通过育种与基因工程协同策略提高树木萜烯类次生代谢物积累的可行路径。作者整合了三种互补手段：增加树脂道或油腺等分泌组织的数量、扩大其储存腔体体积，以及通过增强MEP途径碳通量提升萜烯生物合成效率。关键结果方面，火炬松轴向树脂道数量受中等遗传控制，单代可提升约10%；挪威云杉经茉莉酸甲酯处理后，萜烯合成酶活性5天上升、15天达峰，木材单萜和二萜含量在10天后增加并持续至25天；过表达DXS可使薰衣草萜烯提高2-3.5倍，过表达DXR使薄荷精油产量增加50%。文章创新性地提出将微生物MEP途径工程成果（如大肠杆菌中绕过DXS限速步骤的yajO和ribB(G108S)突变体基因）引入树木，以提升碳效率。研究还指出，林木萜烯含量潜力巨大（如针叶树木材树脂含量可达2-40%干重），但需进一步解析分泌组织分化的分子机制与细胞间信号，方能在桉树和针叶树中实现高萜烯积累，为可再生化学品和生物燃料提供可持续原料。
创新点
系统提出将树木育种与代谢途径工程、分泌组织细胞工程相结合的综合策略；建议利用微生物MEP途径工程中的成果（如绕过DXS的大肠杆菌yajO和RibB突变体基因）应用于树木以提高碳效率和萜烯产量。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 大肠杆菌 (Escherichia coli) | DXP/MEP途径 | yajO; ribB(G108S) | YajO; RibB(G108S) | 催化 | 可绕过DXS步骤，将核酮糖-5-磷酸转化为DXP，提高萜烯合成效率。 |
| 火炬松 (Pinus taeda) | MEP途径/萜烯合成 | yajO; ribB(G108S) | YajO; RibB(G108S) | 催化 | 转基因组成型表达使1年生幼苗木材萜烯显著增加（未发表数据）。 |
| 薰衣草 (Lavandula latifolia) | MEP途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 组成型过表达使叶片萜烯含量提高2-3.5倍。 |
| 薄荷 (Mentha piperita) | MEP途径 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 上调表达使球状腺毛中精油含量增加50%。 |
| 挪威云杉 (Picea abies) | MEP途径/萜烯合成 | DXS (Type II) | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 受伤和真菌感染时上调，参与诱导型树脂合成。 |
| 白云杉 (Picea glauca) | 乙烯生物合成 | ACC synthase (ACS) | 1-氨基环丙烷-1-羧酸合酶 | 催化 | MeJ处理快速上调，促进乙烯合成并诱导创伤树脂道形成。 |
| 挪威云杉 (Picea abies) | 萜烯合成 | geranylgeranyl-pyrophosphate synthase (GGPPS) | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶 | 催化 | MeJ处理后活性约5天开始增加，15天达峰。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP途径 | DXS; DXR; taxadiene synthase | 相关酶（DXS, DXR, 紫杉二烯合酶） | 催化 | 过表达DXS/DXR提高紫杉二烯等类异戊二烯产物积累。 |
| 长春花 (Catharanthus roseus) | MEP途径/单萜吲哚生物碱 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 过表达提高萜类吲哚生物碱积累。 |
关键发现
- 油籽可积累10-75%三酰甘油（干重）
- 烟草经工程改造可积累15%叶干重三酰甘油
- 桉树叶萜烯含量为0.5-8%干重
- 针叶树木材树脂含量为2-40%干重
- 全球松树化学品年产量约3.5-4.0百万吨
- 美国东南部纸浆厂年回收约90万吨粗妥尔油（CTO）
- UPM生物炼油厂产能为1.2亿升/年可再生柴油。火炬松轴向树脂道数量受中等遗传控制，单代可增加约10%
- 挪威云杉MeJ处理后创伤树脂道分化需9-36天，萜烯合成酶活性在5天后开始上升，15天达峰
- 木材单萜和二萜含量10天后增加，15-25天达峰。白挪威云杉皮层树脂道有863个特异转录本（Tau>0.75），MeJ处理后766个，其中约85%（648个）保持树脂道特异。过表达DXS在薰衣草中使萜烯提高2-3.5倍
- 薄荷中过表达DXR使精油增加50%
- 大肠杆菌yajO和RibB(G108S)可绕过DXS，在火炬松中表达显著提高木材萜烯（未发表数据）。
研究结论
通过育种和基因工程提高桉树和针叶树萜烯含量具有巨大潜力。需要进一步揭示树脂道和油腺分化、大小控制的分子机制及细胞间信号，同时利用微生物MEP途径工程的进展增强碳通量和碳效率，从而实现更高的组织萜烯含量。