Genetic engineering of essential oil production in mint
- 作者
- Markus Lange, Rodney Croteau
- 单位
- Institute of Biological Chemistry, Washington State University, Pullman, WA 99164-6340, USA
- 杂志
- Current Opinion in Plant Biology（1999）
- DOI
- 10.1016/s1369-5266(99)80028-4
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过基因工程系统改良薄荷精油的产量与品质，实现单萜生物合成途径的定向调控。
研究策略
以薄荷（尤其是胡椒薄荷）为模型，综述从单萜代谢途径解析、关键酶基因克隆、腺毛特异性启动子鉴定、代谢流重定向、产物谱改造到腺毛密度调控等多层次基因工程策略。
核心内容
该研究系统综述了薄荷精油代谢工程的策略和进展，以胡椒薄荷为主要对象，围绕单萜生物合成途径的定向调控展开。研究发现，薄荷油腺中甲羟戊酸途径基本被阻断，异戊二烯焦磷酸完全由质体MEP途径提供，分离的分泌细胞专一表达单萜合成的全套酶系。通过随机测序薄荷油腺cDNA文库的1500个克隆，其中8-10%的EST对应单萜代谢四个阶段的酶，据此已克隆DXP合酶、DXP还原异构酶、柠檬烯合酶、柠檬烯-3-羟化酶等系列关键基因。策略上提出四类基因工程途径：利用过表达或反义技术改变薄荷酮还原酶等活性优化精油组分，通过拟南芥GL1与玉米R基因共表达诱导腺毛形成，调控MEP途径基因提高单萜通量，以及鉴定腺毛特异性启动子避免异位表达。薄荷油农场产值达1.6亿美元，终端产品价值55亿美元，显示出重要的经济意义。该工作表明薄荷精油基因工程已具备初步条件，为后续实现组织特异性代谢流调控和精油品质改良奠定了基础。
创新点
提出四类基因工程目标：1）通过过表达/反义技术改变薄荷酮还原酶等酶活性以优化精油组分；2）利用拟南芥GL1基因和玉米R基因共同过表达诱导薄荷腺毛形成；3）通过调控MEP途径基因提高单萜通量；4）鉴定腺毛特异性启动子以避免异位表达。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 胡椒薄荷（Mentha x piperita） | 异戊二烯生物合成（MEP途径） | dxs | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 催化丙酮酸与甘油醛-3-磷酸缩合生成DXP，是MEP途径第一步反应 |
| 胡椒薄荷（Mentha x piperita） | 异戊二烯生物合成（MEP途径） | dxr | DXP还原异构酶 | 催化 | 催化DXP重排还原为MEP，该酶已克隆但未发表 |
| 胡椒薄荷（Mentha x piperita） | 异戊二烯生物合成 | IPI | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | 催化IPP与DMAPP互变 |
| 胡椒薄荷（Mentha x piperita） | 单萜生物合成 | GPPS | 牻牛儿基二磷酸合酶 | 催化 | 催化IPP与DMAPP缩合生成GPP（C10） |
| 胡椒薄荷（Mentha x piperita） | 倍半萜/二萜生物合成 | FPPS | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 生成FPP（C15） |
| 胡椒薄荷（Mentha x piperita） | 二萜生物合成 | GGPPS | 牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶 | 催化 | 生成GGPP（C20） |
| 胡椒薄荷（Mentha x piperita） | 单萜生物合成 | limonene synthase | (-)-柠檬烯合酶 | 催化 | 催化GPP环化生成(-)-柠檬烯 |
| 留兰香（Mentha spicata） | 单萜生物合成 | limonene synthase | (-)-柠檬烯合酶 | 催化 | 从留兰香油腺克隆并表征 |
| 胡椒薄荷（Mentha x piperita） | 单萜生物合成 | limonene-3-hydroxylase | (-)-柠檬烯-3-羟化酶 | 催化 | 催化柠檬烯C3位羟基化，细胞色素P450酶 |
| 留兰香（Mentha spicata） | 单萜生物合成 | limonene-6-hydroxylase | (-)-柠檬烯-6-羟化酶 | 催化 | 催化柠檬烯C6位羟基化，形成香芹酮骨架 |
| 胡椒薄荷（Mentha x piperita） | 单萜生物合成 | pulegone reductase | (+)-胡薄荷酮还原酶 | 催化 | 催化(+)-胡薄荷酮还原为(-)-薄荷酮 |
| 胡椒薄荷（Mentha x piperita） | 单萜生物合成 | menthone dehydrogenase | 薄荷酮脱氢酶 | 催化 | 催化(-)-薄荷酮转化为(-)-薄荷醇，基因尚未克隆 |
| 胡椒薄荷（Mentha x piperita） | 单萜生物合成 | neomenthol dehydrogenase | 新薄荷醇脱氢酶 | 催化 | 催化(-)-薄荷酮差向还原为(+)-新薄荷醇，导致葡萄糖苷化损失 |
| 胡椒薄荷（Mentha x piperita） | 单萜生物合成 | menthofuran synthase | 薄荷呋喃合酶（推定的细胞色素P450） | 催化 | 催化(+)-胡薄荷酮转化为(+)-薄荷呋喃，基因未鉴定 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 毛状体发育调控 | GL1 | GLABRA1蛋白 | 调控 | myb家族转录因子，调控非腺毛起始 |
| 玉米（Zea mays） | 毛状体发育调控 | R | R蛋白 | 调控 | myc家族调控因子，可互补拟南芥ttg突变 |
关键发现
- 薄荷油农场产值1.6亿美元，终端产品价值55亿美元（仅美国）
- 胡椒薄荷油腺cDNA文库随机测序1500个克隆，其中8-10%的EST代表单萜代谢四个阶段的酶
- 在薄荷油腺中甲羟戊酸途径基本被阻断，IPP完全由质体丙酮酸/GAP途径（MEP途径）提供
- 分离的分泌细胞专一表达单萜生物合成全套酶系
- 已克隆DXP合酶、DXP还原异构酶、IPP异构酶、GPP合酶、FPP合酶、GGPP合酶、柠檬烯合酶、柠檬烯-3-羟化酶及留兰香柠檬烯-6-羟化酶等基因。
研究结论
薄荷精油基因工程已具备初步条件，未来短期目标是克隆全部对薄荷烷型单萜合成相关基因并鉴定腺毛特异性启动子；中期目标优化载体和表达水平；长期目标实现组织特异性地调控单萜生物合成酶基因表达，改善精油组成和产量，并利用转基因薄荷研究代谢通量调控和单萜分泌机制。