Progress in plant metabolic engineering
- 作者
- Pierre Broun, Chris Somerville
- 单位
- Mendel Biotechnology, 21375 Cabot Boulevard, Hayward, CA 94545; Carnegie Institution, 260 Panama Street, Stanford, CA 94305
- 杂志
- Proceedings of the National Academy of Sciences（2001）
- DOI
- 10.1073/pnas.171310598
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过遗传工程有效提高植物重要次生代谢产物（如萜类、油脂、维生素）的产量和品质，并理解单酶与多酶调控的局限性。
研究策略
综述植物代谢工程代表性研究，包括过表达限速酶（DXPS、DXR）、利用反义RNA降低副产物、表达反馈不敏感酶、多基因共表达（金大米）以及操纵转录因子（R/C1、长春花转录因子）等策略。
核心内容
该文系统评述了植物代谢工程在提高次生代谢产物产量与品质方面的代表性策略与进展。作者以萜类、脂肪酸、维生素和类胡萝卜素等途径为对象，梳理了过表达限速酶、抑制副反应、引入反馈不敏感酶及多基因共表达等不同层次的遗传操作方式。关键结果显示，在薄荷中过表达DXR可将精油产量提升50%且成分不变，首次证明该酶是DXPS途径的限速步骤；拟南芥中过表达DXPS使脱落酸和α-生育酚分别增加4倍和2倍。多酶协同方面，油菜种子表达细菌crtB使类胡萝卜素增加50倍，金大米通过共表达PSY、LCY-B和crtI实现β-胡萝卜素累积，而单酶操作如过表达乙酰-CoA羧化酶仅使油菜含油量增加约5%，凸显了多步调控的必要性。作者据此指出，单酶改造适合改善产物组成，但欲实质性提高产量，需转向多基因协同表达或操纵转录因子以整体激活合成通路，这一认识为后续植物代谢工程研究提供了方向性指导。
创新点
首次证明DXR是植物DXPS途径的限速酶，并在薄荷中通过过表达DXR将精油产量提高50%；提出代谢工程需要多基因协调控制或利用转录因子整体上调合成途径的新方向。
研究对象（17）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 薄荷（Mentha × piperita） | 单萜生物合成（DXPS途径） | DXR（deoxyxylulose phosphate reductoisomerase） | DXR | 催化 | 强组成型启动子驱动过表达，精油产量增加高达50%。 |
| 薄荷（Mentha × piperita） | 单萜生物合成 | methofuran synthase基因 | 薄荷呋喃合酶 | 催化 | 反义抑制降低薄荷呋喃合成，改善油品质。 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | DXPS途径/类萜生物合成 | DXPS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 组成型过表达导致脱落酸增加4倍、α-生育酚增加2倍。 |
| 细菌（如大肠杆菌） | DXPS途径 | dxps | DXPS | 催化 | 过表达增加下游类萜积累，表明DXPS是限速步骤。 |
| 大豆（Glycine max） | 脂肪酸生物合成 | 油酸脱饱和酶基因 | 油酸脱饱和酶 | 催化 | 通过共抑制降低活性，使油酸含量接近脂肪酸含量的90%。 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 维生素E生物合成 | γ-生育酚甲基转移酶基因 | γ-生育酚甲基转移酶 | 催化 | 过表达使种子维生素E活性提高10倍。 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | PSY（八氢番茄红素合酶） | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 组成型表达导致矮化和果实番茄红素降低。 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | crtB（细菌番茄红素合酶） | 细菌番茄红素合酶 | 催化 | 果实特异表达显著增加类胡萝卜素。 |
| 油菜（Brassica napus）种子 | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | 细菌番茄红素合酶 | 催化 | 种子中表达使α-和β-胡萝卜素增加50倍。 |
| 水稻（Oryza sativa）种子 | 类胡萝卜素生物合成 | 水仙PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 单独表达只积累八氢番茄红素。 |
| 水稻（Oryza sativa）种子 | 类胡萝卜素生物合成 | 水仙PSY、水仙LCY-B、欧文氏菌crtI | 八氢番茄红素合酶、番茄红素β-环化酶、八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 共表达产生'金大米'，积累高水平β-胡萝卜素。 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum） | 淀粉生物合成 | 细菌ADP-葡萄糖焦磷酸化酶基因 | 效应物不敏感型AGPase | 催化 | 表达使淀粉积累增加60%。 |
| 植物（未明确） | 赖氨酸生物合成 | dapA（二氢吡啶二羧酸合酶） | 反馈不敏感型二氢吡啶二羧酸合酶 | 催化 | 通量增加但赖氨酸被降解，净积累受限。 |
| 油菜（Brassica napus）种子 | 脂肪酸生物合成 | 乙酰-CoA羧化酶基因 | 胞质乙酰-CoA羧化酶 | 催化 | 过表达导致种子油仅增加约5%。 |
| 玉米/拟南芥/烟草 | 花青素生物合成 | R和C1 | myc和myb型转录因子 | 调控 | 同时表达显著增加花青素积累。 |
| 长春花（Catharanthus roseus）悬浮细胞 | 萜类吲哚生物碱生物合成 | 茉莉酸调节的转录因子基因 | 转录因子 | 调控 | 高表达增加多个生物碱合成基因表达，添加前体提高吲哚生物碱积累。 |
| 薄荷（Mentha × piperita）腺毛 | 单萜生物合成 | 多个单萜合成基因 | — | 调控 | 油积累主要受转录水平协调控制。 |
关键发现
- 植物合成30,000余种萜类
- 拟南芥过表达DXPS使脱落酸和α-生育酚分别增加4倍和2倍
- 薄荷过表达DXR使精油产量最高增加50%且成分不变
- 大豆中抑制油酸脱饱和酶使油酸占脂肪酸近90%
- 拟南芥过表达γ-生育酚甲基转移酶使维生素E活性提高10倍
- 油菜种子表达细菌crtB使α/β-胡萝卜素增加50倍
- 马铃薯表达不敏感型AGPase使淀粉增加60%
- 油菜过表达乙酰-CoA羧化酶仅使油增加约5%
- '金大米'通过共表达PSY、LCY-B、crtI实现β-胡萝卜素累积。
研究结论
单酶操作在改善产物组成和某些情况下提高产量可行，但控制多步骤或多基因协同表达，甚至操纵上游转录因子，是进一步提高植物代谢产物积累的更有力策略；植物代谢工程正处于整合多学科知识的新阶段。