Strategies for transgenic manipulation of monoterpene biosynthesis in plants
- 作者
- Soheil S. Mahmoud, Rodney B. Croteau
- 杂志
- Trends in Plant Science（2002）
- DOI
- 10.1016/S1360-1385(02)02303-8
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过转基因操作提高植物单萜产量、改良精油组成，并利用代谢工程在非产单萜植物中生产新单萜以改善风味、香气及植物防御能力。
研究策略
综述多种策略：上调MEP途径限速酶（DXPS、DXR）以增加前体供应；调控GPP合酶增强单萜前体通量；异源表达单萜合酶（如芳樟醇合酶）生产新单萜；利用反义抑制或基因沉默降低不良代谢物（如薄荷呋喃）积累；利用转录因子协调调控代谢基因表达及腺毛等分泌结构的发育。
核心内容
该综述系统总结了通过转基因策略改良植物单萜生物合成的多种途径，涵盖从提高前体供应到最终产物释放的全流程。作者梳理了单萜生成的四个阶段，提出了上调MEP途径限速酶以增加前体供给、调控牻牛儿基二磷酸合酶增强通量、异源表达单萜合酶生产新化合物等核心手段。关键结果显示，过表达DXR可使薄荷精油产量提升40–60%，而反义抑制薄荷呋喃合酶能将不良组分降低50–75%甚至几乎清除。在番茄中表达芳樟醇合酶能产生可被嗅觉感知的芳樟醇，但矮牵牛中生成的芳樟醇却以糖苷形式积累而失去挥发性，香石竹中产量则较低。此外抑制MFS还导致非正常单萜积累，占总油5–10%。这些结果说明单基因操作即可显著改变精油组成，但宿主缺乏特化分泌结构会限制产物的储存与释放。作者由此提出应识别额外限速步骤、利用转录因子协调调控代谢基因和分泌结构发育，并阐明单萜转运机制，为在非产单萜植物中实现高效生产指明方向。
创新点
系统总结了单萜生物合成的四个阶段及其工程策略；证明通过单基因操作即可显著改变精油产量和组成；提出利用转录因子增加腺毛数量以提高产油的创新思路；并讨论了在非专用分泌结构植物中移植单萜途径的挑战。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 薄荷（Mentha × piperita） | MEP途径（1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸途径） | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 过表达DXR使精油产量提高40-60% |
| 薄荷（Mentha × piperita） | p-薄荷烷单萜生物合成 | MFS | 薄荷呋喃合酶（细胞色素P450） | 催化 | 反义抑制使薄荷呋喃含量降低50-75%，甚至几乎消除 |
| 薄荷（Mentha × piperita） | 单萜生物合成 | limonene synthase | 柠檬烯合酶 | 催化 | 异源表达4S-柠檬烯合酶改变单萜组成，提高产量 |
| 薄荷（Mentha × piperita） | 单萜前体生物合成 | GPP synthase（小亚基） | 牻牛儿基二磷酸合酶 | 催化 | 异二聚体，小亚基决定产物C10链长，过表达可增加GPP供应 |
| 大肠杆菌（Escherichia coli） | MEP途径 | DXR, DXPS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶和合酶 | 催化 | 共表达DXR和DXPS比单独过表达DXPS更能提高重组菌株的番茄红素产量 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum） | 单萜生物合成 | Lis | (S)-芳樟醇合酶（来自Clarkia breweri） | 催化 | 在成熟果实中产生(S)-芳樟醇和8-羟基芳樟醇，浓度足以被嗅觉检测，且不影响其他类萜合成 |
| 矮牵牛（Petunia hybrida） | 单萜生物合成 | Lis | (S)-芳樟醇合酶（来自Clarkia breweri） | 催化 | 产生的芳樟醇被糖基化为芳樟醇-β-D-葡萄糖苷，无挥发性，不影响花香 |
| 香石竹（Dianthus caryophyllus） | 单萜生物合成 | Lis | (S)-芳樟醇合酶（来自Clarkia breweri） | 催化 | 产生芳樟醇和芳樟醇氧化物，但产量太低不能改变花香 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 毛状体发育调控 | GL1 | GL1（Myb转录因子） | 调控 | 正调控毛状体形成，与玉米R蛋白共表达可显著增加毛状体数量 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 毛状体发育调控 | AtMYB23 | AtMYB23（Myb转录因子） | 调控 | 正调控因子，过表达可诱导非正常部位形成毛状体，但与GL1一样单独作用不足以大量形成毛状体 |
关键发现
- 过表达DXR使薄荷精油产量提高40-60%
- 反义抑制MFS使薄荷呋喃含量下降50-75%，甚至几乎消除
- 在番茄果实中表达芳樟醇合酶产生(±)-芳樟醇和8-羟基芳樟醇，浓度足以被嗅觉检测到
- 在矮牵牛中产生芳樟醇但以糖苷形式积累，无挥发性
- 在香石竹中产生芳樟醇及氧化物但水平较低
- 抑制薄荷MFS导致非正常单萜（(−)-trans-氧化胡椒酮和(+)-氧化胡椒烯酮）积累，占总油的5-10%。
研究结论
代谢工程已能在薄荷等精油植物中有效提高单萜产量和改良组成，也可在番茄等非产单萜植物中产生新单萜，但产物的储存与释放受限于植物缺乏特化的分泌结构。未来应识别MEP途径的额外限速步骤、克隆调控多个单萜基因的转录因子，并阐明单萜转运和分泌机制，以进一步优化转基因生产。