Menthofuran regulates essential oil biosynthesis in peppermint by controlling a downstream monoterpene reductase
- 作者
- Soheil S. Mahmoud, Rodney B. Croteau
- 单位
- Institute of Biological Chemistry, Washington State University
- 杂志
- Proceedings of the National Academy of Sciences（2003）
- DOI
- 10.1073/pnas.2436325100
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
薄荷精油中(+)-pulegone分支代谢的调控机制不明确，特别是终产物/副产物(+)-menthofuran如何影响下游pulegone还原酶（PR）进而改变精油组成。
研究策略
通过农杆菌介导转化薄荷，在CaMV 35S启动子驱动下过表达或共抑制mfs基因，分析转基因植株精油化学组成、mfs和pr转录水平及PR酶活性；并通过茎饲和叶面喷施外源(+)-menthofuran，验证其对pr转录和PR活性的调控作用。
核心内容
该研究以薄荷为对象，揭示了副产物(+)-menthofuran对精油合成分支代谢的调控机制。作者通过农杆菌介导转化，在35S启动子驱动下过表达或共抑制mfs基因，并结合外源饲喂与喷施(+)-menthofuran，分析精油组分、mfs和pr转录水平及PR酶活性。结果表明，mfs过表达植株未成熟叶中menthofuran由野生型的6.4%升至15.4%，pulegone由3.7%升至10.7%，而menthone由71.4%降至55.5%；共抑制植株则相反。胁迫下PR活性在过表达株中显著降至433 nmol·mg protein⁻¹·h⁻¹，野生型为1,133，共抑制株高达3,406。外源menthofuran可降低pr转录水平和PR活性，而menthone无此效果，体外实验排除了直接酶抑制。该发现表明(+)-menthofuran并非死端代谢物，而是通过下调pr基因转录减少pulegone还原酶含量，从而促进pulegone积累。这一前馈调控机制为同时降低薄荷油中不良成分、改善精油品质提供了新靶点。
创新点
发现一个通常被视为死端代谢物的(+)-menthofuran能够反向（feed-forward）下调下游分支酶PR基因的转录水平，从而控制pulegone代谢流向，这是一种新的植物次生代谢调控机制。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Mentha piperita (薄荷) | 单萜生物合成（薄荷醇合成途径） | mfs | Menthofuran synthase (MFS) | 催化 | 催化(+)-pulegone氧化为(+)-menthofuran，属于细胞色素P450酶 |
| Mentha piperita (薄荷) | 单萜生物合成（薄荷醇合成途径） | pr | Pulegone reductase (PR) | 催化 | 催化(+)-pulegone还原为(-)-menthone，是pulegone分支代谢的关键酶 |
| Mentha piperita (薄荷) | MEP途径（质体异戊二烯前体合成） | dxr | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate reductoisomerase (DXR) | 催化 | 作为对照，催化DXP还原异构化步骤；外源menthofuran处理不影响其转录水平 |
关键发现
- 在mfs过表达（HMF）植株的未成熟叶中，menthofuran含量从WT的6.4%升至15.4%，pulegone从3.7%升至10.7%，而menthone从71.4%降至55.5%
- 在mfs共抑制（LMF）植株中，menthofuran降至0.3%，pulegone降至1.0%，而menthone升至67.5%。胁迫条件下，WT混合叶油含24% menthofuran和35% pulegone，HMF含42% menthofuran和22% pulegone，LMF含<1% menthofuran和<10% pulegone。PR活性在HMF中显著降低，胁迫下为433±23 nmol·mg protein-1·h-1，WT为1,133±26，LMF高达3,406±31
- 未胁迫下HMF为635±26，WT为1,271±110，LMF为1,288±13。外源menthofuran茎饲使pr转录水平SSI从2.29±0.04降至1.41±0.09，PR活性从3,323±178降至2,446±44 nmol·mg protein-1·h-1，而menthone处理无影响
- 叶面喷施10和50 μM menthofuran使pr转录水平SSI从4.41±0.02分别降至3.2±0.02和1.79±0.22。体外实验表明menthofuran在5–200 μM浓度下不显著抑制PR活性。
研究结论
(+)-menthofuran通过下调pr基因转录或降低pr mRNA稳定性，减少pulegone还原酶含量，从而降低pulegone还原为menthone的通量，导致pulegone积累；该机制可用以同时降低薄荷油中不良成分menthofuran和pulegone，改善精油品质。