Plant cytochromes P450: tools for pharmacology, plant protection and phytoremediation
- 作者
- Marc Morant, Søren Bak, Birger Lindberg Møller, Danièle Werck-Reichhart
- 单位
- Department of Plant Stress Response, Institute of Plant Molecular Biology, CNRS-UPR2357, Université Louis Pasteur, 28 rue Goethe, F-67000 Strasbourg, France; Plant Biochemistry Laboratory, Department of Plant Biology and Center of Molecular Plant Physiology (PlaCe), Royal Veterinary & Agricultural University, 40 Thorvaldsensvej, DK-1871 Frederiksberg C, Copenhagen, Denmark
- 杂志
- Current Opinion in Biotechnology（2003）
- DOI
- 10.1016/S0958-1669(03)00024-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物细胞色素P450在药物生物合成、植物保护、除草剂耐受和植物修复中的功能及其生物技术应用潜力。
研究策略
系统综述植物P450在天然产物代谢中的催化功能，总结利用代谢工程策略生产抗癌药物、增强作物营养与防御、改造除草剂耐受性和植物修复的最新进展。
核心内容
该文系统综述了植物细胞色素P450在药物合成、抗虫防御、除草剂耐受及植物修复中的核心作用，并重点总结了代谢工程改造策略的进展。研究梳理了P450酶在紫杉醇、吲哚生物碱等抗癌药物生物合成中的关键催化步骤，例如红豆杉CYP725A家族羟化酶和长春花CYP72A1等。关键实验结果显示，将高粱生氰苷合成通路中的CYP79A1、CYP71E1和UGT85B1整体导入拟南芥后，转基因植株积累 dhurrin 可达干重4%，有效驱避十字花科跳甲；异源表达菊芋CYP76B1使烟草和拟南芥的除草剂耐受性提高20倍。此外，下调烟草CYP71D16可减少蚜虫定殖，而表达人CYP2E1的转基因烟草显著增强了三氯乙烯的吸收与代谢。这些结果表明，植物P450不仅是复杂天然产物合成的限速催化元件，通过基因挖掘与异源表达策略，还能在作物抗虫、除草剂耐受和环境修复等农业生物技术领域发挥实用价值，为后续P450工程改造提供了明确方向。
创新点
总结P450催化步骤在紫杉醇和吲哚生物碱合成中的关键作用；首次实验证明将生氰苷合成通路整体转入拟南芥可赋予昆虫抗性（dhurrin积累达4%干重）；CYP76B1异源表达使除草剂耐受性提高20倍；通过表达哺乳动物CYP2E1实现烟草对三氯乙烯的高效吸收与代谢。
研究对象（19）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 红豆杉（Taxus）细胞培养 | 紫杉醇生物合成 | — | taxane 10β-hydroxylase | 催化 | 催化紫杉烷10β-羟基化，通过RT-PCR差示显示从茉莉酸甲酯诱导的Taxus细胞中克隆，是紫杉醇合成中第二个氧化步骤。 |
| 红豆杉（Taxus） | 紫杉醇生物合成 | — | taxane 13α-hydroxylase | 催化 | 在酵母或昆虫细胞中表达，可氧化多种紫杉烷结构。 |
| 长春花（Catharanthus roseus） | 萜类吲哚生物碱生物合成 | CYP71D12 | tabersonine 16-hydroxylase | 催化 | 催化他波宁16-羟基化，是文多灵合成限速步骤。 |
| 长春花（Catharanthus roseus） | 萜类吲哚生物碱生物合成 | CYP72A1 | secologanin synthase | 催化 | 催化裂环马钱苷（loganin）氧化裂环成断马钱苷，第一个环开裂植物P450。 |
| 长春花（Catharanthus roseus） | 萜类吲哚生物碱生物合成 | CYP76B6 | geraniol/nerol 10-hydroxylase | 催化 | 催化香叶醇/橙花醇10-羟基化，为萜类配基合成限速步骤。 |
| 大豆；非豆科植物（拟南芥、烟草、玉米等）异源表达 | 异黄酮生物合成 | CYP93C | 2-hydroxyisoflavone synthase（异黄酮合酶） | 催化 | 催化B环芳基迁移，产生染料木素；底物柚皮素成为限速因素。 |
| 大豆 | 异黄酮生物合成 | CYP71D9 | flavonoid 6-hydroxylase | 催化 | 催化染料木素和甘草素6-羟基化。 |
| 拟南芥 | 苯丙烷代谢/木质素生物合成 | CYP98A3 | coumaroyl ester 3'-hydroxylase | 催化 | 催化对香豆酰莽草酸/奎宁酸3'-羟基化，为咖啡酸和木质素单体前体合成关键酶。 |
| 木薯（Manihot esculenta） | 生氰苷生物合成 | CYP79D1, CYP79D2 | — | 催化 | 催化缬氨酸/异亮氨酸转化为生氰苷亚麻苦苷和百脉根苷的第一步。 |
| 高粱（Sorghum bicolor） | 生氰苷dhurrin生物合成 | CYP79A1 | tyrosine N-monooxygenase | 催化 | 催化酪氨酸转化为对羟苯乙醛肟。 |
| 高粱（Sorghum bicolor） | 生氰苷dhurrin生物合成 | CYP71E1 | — | 催化 | 催化对羟苯乙醛肟转化为对羟扁桃腈。 |
| 拟南芥（转基因受体） | 生氰苷dhurrin生物合成 | CYP79A1, CYP71E1 | — | 催化 | 将高粱的CYP79A1和CYP71E1与UGT85B1共表达，拟南芥积累dhurrin达4%干重，获得对十字花科跳甲的抗性。 |
| 拟南芥/马铃薯 | 茉莉酸生物合成/oxylipin代谢 | CYP74A | allene oxide synthase | 催化 | 催化13-氢过氧化物生成茉莉酸前体；拟南芥敲除突变体雄性不育，伤口信号转导缺陷。 |
| 马铃薯 | oxylipin代谢/创伤信号 | CYP74B | hydroperoxide lyase | 催化 | 催化生成创伤激素和挥发性醛；反义表达降低蚜虫抗性。 |
| 烟草（毛状体） | 萜烯分泌物代谢 | CYP71D16 | cembratriene-ol hydroxylase | 催化 | 催化cembratriene-ol生成cembratriene-diol；下调该基因改变毛状体分泌物成分，增强抗蚜性。 |
| 烟草 | 植保素辣椒素合成 | CYP71D20 | 5-epi-aristolochene 1,3-dihydroxylase | 催化 | 催化5-epi-aristolochene两次羟基化生成辣椒素，是抗真菌关键酶。 |
| 菊芋（Helianthus tuberosus）；转基因烟草/拟南芥 | 除草剂代谢/外源物代谢 | CYP76B1 | phenylurea hydroxylase | 催化 | 催化苯脲类除草剂脱烷基/羟基化；异源表达使除草剂耐受性提高20倍，可作为选择标记或用于生物修复。 |
| 大豆；酵母和烟草异源表达 | 除草剂代谢 | CYP71A10 | — | 催化 | 代谢苯脲类除草剂，在酵母和烟草中表达增强除草剂代谢。 |
| 烟草（转基因表达哺乳动物基因） | 卤代烃代谢 | CYP2E1 | cytochrome P450 2E1 | 催化 | 人CYP2E1表达使烟草吸收和代谢三氯乙烯和乙烯二溴显著增强。 |
关键发现
- 植物P450数据库包含1052条序列
- 约25%现代药物来源于植物。将高粱CYP79A1、CYP71E1和UGT85B1导入拟南芥，转基因株积累dhurrin达4%干重，可驱避十字花科跳甲。CYP76B1转化烟草和拟南芥后，除草剂耐受性提高20倍。烟草毛状体分泌物可达叶干重的16%，其中主要为cembranoid diterpene
- 下调CYP71D16后，蚜虫定殖显著减少。CYP74A敲除导致拟南芥雄性不育和茉莉酸合成阻断
- CYP74B反义马铃薯对蚜虫抗性降低。人CYP2E1转基因烟草对三氯乙烯和乙烯二溴的吸收和代谢显著增强。
研究结论
植物P450在复杂天然产物合成中起核心催化作用，通过代谢工程可显著提高药物产量、作物营养价值、抗虫性和除草剂耐受性；异源表达P450还展示了污染修复的巨大潜力，未来可结合基因挖掘、表达优化和蛋白质工程开发更多应用。