The genetics and molecular genetics of terpene and sterol origami
- 作者
- Joe Chappell
- 单位
- Plant Physiology/Biochemistry/Molecular Biology Program, University of Kentucky, Lexington, Kentucky 40546-0091, USA
- 杂志
- Current Opinion in Plant Biology（2002）
- DOI
- 10.1016/S1369-5266(02)00241-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析萜类和甾醇生物合成途径的遗传学与分子遗传学机制，并探索通过基因工程改造这些途径以应用于农业和医学的潜力
研究策略
综合评述经典遗传突变体（如det、cpd、fackel、sad）和转基因工程（如关键酶基因过表达、反义抑制）在解析和改造萜类/甾醇代谢中的应用
核心内容
该文系统综述了萜类和甾醇生物合成途径的遗传学与分子遗传学机制，并展示了通过经典突变体和转基因工程解析和改造这些代谢网络的研究进展。在甾醇代谢方面，拟南芥det和cpd突变体因油菜素内酯合成缺陷呈现异常表型，外源施加极低浓度油菜素内酯即可恢复野生型；fackel突变体因甾醇C14还原酶缺陷积累四种带14,15位双键的新型甾醇，细胞仅能分裂至60细胞期，提示甾醇信号分子可能参与胚胎发育调控。在萜类代谢工程方面，番茄果实表达外源linalool合酶后积累linalool及其羟基化衍生物（后者约为前者浓度的25–50%）；薄荷中过表达DXP还原异构酶使总单萜含量平均增加约30%；反义抑制薄荷呋喃合酶使薄荷呋喃降低约50%而不影响总油产量；烟草中反义抑制P450羟化酶使cembratriene-diols降低约40%，伴随单醇前体大幅增加，转基因株系对蚜虫毒性增强。这些结果说明，结合经典遗传突变体与基因工程手段可有效解析和操控植物的萜类/甾醇代谢网络，为作物品质改良和药物开发提供可行策略。
创新点
揭示了甾醇信号分子可能参与植物胚胎发育调控；证明MEP途径可通过代谢工程灵活改变通量；利用反义技术改良精油组成和增强作物抗虫性
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 | 油菜素内酯合成 | DET2 | DET2蛋白 | 催化 | 编码油菜素内酯合成中的还原步骤，突变导致去黄化表型 |
| 拟南芥 | 油菜素内酯合成 | CPD | CPD蛋白（细胞色素P450） | 催化 | 编码C-23羟基化步骤，突变导致矮化与去黄化 |
| 拟南芥 | 甾醇生物合成 | FK | 甾醇C14还原酶 | 催化 | fk突变体胚胎发育异常，产生新型甾醇中间体 |
| 拟南芥 | 甾醇生物合成 | SMT1 | 甾醇甲基转移酶1 | 催化 | 反义抑制该基因产生fk样胚胎表型 |
| 燕麦（Avena strigosa） | 三萜/皂苷合成 | — | 新型oxidosqualene环化酶 | 催化 | sad突变影响avencin生物合成，降低抗病性 |
| 番茄果实 | MEP途径/单萜合成 | LIS（linalool synthase，来自Clarkia） | S-linalool合酶 | 催化 | 果实成熟期特异表达，积累linalool及羟基化衍生物 |
| 薄荷 | MEP途径/单萜合成 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 过表达使总单萜含量增加约30% |
| 薄荷 | 单萜衍生代谢 | MFS（methofuran synthase） | 薄荷呋喃合酶 | 催化 | 反义表达使薄荷呋喃减少约50%，不影响总油量 |
| 烟草 | 二萜合成（cembratriene代谢） | P450羟化酶基因（未命名） | 细胞色素P450羟化酶 | 催化 | 反义抑制后cembratriene-diols降低约40%，单醇积累增强抗蚜虫性 |
关键发现
- det和cpd突变体油菜素内酯合成缺陷，外源施加极低浓度油菜素内酯可恢复其野生型表型
- fackel突变体为甾醇C14还原酶缺陷，积累四种保留14,15位双键的新型甾醇，细胞可分裂至60细胞期
- 燕麦sad突变体中avencin含量降低与疾病易感性共分离，多个sad突变定位于新型三萜环化酶
- 番茄果实表达linalool合酶后，果实积累linalool及其羟基化衍生物（后者约为linalool浓度的25-50%）
- 薄荷中过表达DXP还原异构酶，总单萜含量平均增加约30%（十个独立转基因系平均值），单萜谱无一致变化
- 反义抑制薄荷呋喃合酶使薄荷呋喃含量降低约50%，总油产量和单萜谱不变
- 烟草反义抑制P450羟化酶使cembratriene-diols降低约40%，相应P450 mRNA水平降低，同时单醇前体大幅增加，转基因株系对蚜虫的毒性增强，定殖减少
研究结论
植物萜类生物合成由分别位于质体和胞质的MEP途径与甲羟戊酸途径独立运作，产生结构性和功能性多样的产物；结合经典遗传突变体和基因工程手段，可有效解析和操控这一复杂代谢网络，为作物改良和药物开发提供新策略