Plant natural products: the molecular genetic basis of biosynthetic diversity
- 作者
- Richard A Dixon
- 单位
- Plant Biology Division, The Samuel Roberts Noble Foundation, 2510 Sam Noble Parkway, Ardmore, Oklahoma 73401, USA
- 杂志
- Current Opinion in Biotechnology（1999）
- DOI
- 10.1016/S0958-1669(99)80034-2
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析植物天然产物生物合成途径的分子遗传基础，揭示其多样性产生的机制，为基因工程提高植物抗病性、增加有益健康成分含量及生产药物提供理论依据。
研究策略
综述植物天然产物生物合成相关酶（萜类环化酶、聚酮合酶、细胞色素P450、O-甲基转移酶）的基因发现、异源表达、结构和功能研究进展，强调基于PCR和EST数据库挖掘新基因的策略。
核心内容
该综述系统梳理了植物天然产物生物合成多样性的分子遗传基础，聚焦萜类环化酶、聚酮合酶、细胞色素P450和O-甲基转移酶等关键酶的基因发现与功能解析。研究指出植物普遍存在不依赖甲羟戊酸的DXP异戊二烯途径，DXP合酶基因已从薄荷、胡椒及大肠杆菌中克隆。在聚酮合酶领域，非洲菊gchs2基因与功能性查尔酮合酶氨基酸序列同一性达73%，却催化乙酰CoA与两分子丙二酰CoA形成6-甲基-4-羟基-2-吡喃酮，揭示了该家族的底物与催化灵活性。紫花苜蓿查尔酮合酶晶体结构解析至1.58–1.8 Å，为理性设计奠定基础。高粱生氰糖苷生物合成前六步仅由两个细胞色素P450（CYP79和CYP71E1）催化，凸显P450多功能性。基于PCR和EST数据库挖掘策略已使基因克隆与异源表达成为常规，功能基因组学将加速新基因发现，但需在富含天然产物的难遗传操作物种中发展体内功能分析方法。
创新点
总结了几项关键进展：发现植物中普遍存在不依赖甲羟戊酸的DXP异戊二烯途径；揭示查尔酮合酶相关聚酮合酶家族具有底物和催化灵活性；通过PCR和异源表达快速鉴定多种植物细胞色素P450；利用晶体结构开展萜类环化酶和聚酮合酶的理性设计。
研究对象（21）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 薄荷（Mentha × piperita） | 类异戊二烯生物合成（DXP途径） | DXP synthase | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶 | 催化 | 通过分泌腺cDNA文库大规模测序克隆 |
| 大肠杆菌 | 类异戊二烯生物合成（DXP途径） | dxs | DXP合酶 | 催化 | 基因与法尼基二磷酸合酶基因位于同一操纵子 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum） | 倍半萜生物合成 | germacrene C synthase | germacrene C合酶 | 催化 | 通过PCR克隆 |
| 大冷杉（Abies grandis） | 倍半萜生物合成 | (E)-β-bisabolene synthase | (E)-β-红没药烯合酶 | 催化 | 参与昆虫保幼激素类似物形成 |
| 薄荷（Mentha × piperita） | 倍半萜生物合成 | (E)-β-farnesene synthase | (E)-β-法尼烯合酶 | 催化 | 产生蚜虫报警信息素 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 倍半萜生物合成 | 5-epi-aristolochene synthase | 5-epi-马兜铃烯合酶 | 催化 | 晶体结构已解析，用于环化机制研究 |
| 紫花苜蓿（Medicago sativa） | 类黄酮生物合成 | CHS | 查尔酮合酶 | 催化 | 晶体结构解析至1.58–1.8 Å |
| 非洲菊（Gerbera hybrida） | 聚酮化合物生物合成 | gchs2 | 6-甲基-4-羟基-2-吡喃酮合酶（CHS样） | 催化 | 与功能性CHS有73%氨基酸序列同一性，利用乙酰CoA和丙二酰CoA |
| 高粱（Sorghum bicolor） | 生氰糖苷生物合成（dhurrin） | CYP71E1 | 细胞色素P450 71E1 | 催化 | 催化对羟基苯乙醛肟两步转化为对羟基扁桃腈 |
| 甘草（Glycyrrhiza echinata） | 类黄酮/异黄酮生物合成 | CYP93B1 | (2S)-黄烷酮2-羟化酶 | 催化 | 参与黄烷酮到黄酮或逆查尔酮转化 |
| 甘草（Glycyrrhiza echinata） | 异黄酮生物合成 | CYP81E1 | 异黄酮2'-羟化酶 | 催化 | 可能是鹰嘴豆植物保素生物合成的限速步骤 |
| 向日葵（Helianthus tuberosus） | 外源物代谢（香豆素脱乙基） | CYP76B1 | 7-乙氧基香豆素O-脱乙基酶 | 催化 | 可用于污染生物监测 |
| 花菱草（Eschscholtzia californica） | 苄基异喹啉生物碱生物合成 | CYP80B1 | (S)-N-甲基乌药碱3'-羟化酶 | 催化 | 受茉莉酸甲酯诱导 |
| 玉米（Zea mays） | DIMBOA生物合成 | 四个细胞色素P450基因（未命名） | 细胞色素P450（4种） | 催化 | 连续催化从吲哚合成DIMBOA，基因紧密连锁（2.5 kb、4 cM、2 cM） |
| 金腰属（Chrysosplenium americanum） | 苯丙烷/类黄酮生物合成 | 两个OMT基因 | O-甲基转移酶 | 催化 | 可同时甲基化黄酮和木质素前体 |
| 克拉克花（Clarkia breweri） | 苯丙烷/花香物质生物合成 | isoeguenol OMT | S-腺苷-L-甲硫氨酸:(异)丁子香酚O-甲基转移酶 | 催化 | 通过结构域交换确定底物特异性决定元件 |
| 苜蓿（Medicago sativa） | 异黄酮生物合成 | IOMT7 | 异黄酮7-O-甲基转移酶 | 催化 | 体内可能催化B环甲基化 |
| 连翘（Forsythia intermedia） | 木脂素生物合成 | dirigent protein gene | dirigent蛋白 | 调控 | 与氧化酶协同决定自由基偶联的立体化学 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 苯丙烷生物合成 | PAL | L-苯丙氨酸解氨酶 | 催化 | 过表达增强抗病性但降低抗虫性 |
| 百脉根（Lotus corniculatus） | 类黄酮/缩合单宁生物合成 | CHS、DFR | 查尔酮合酶、二氢黄酮醇还原酶 | 催化 | 利用正义/反义构建改变缩合单宁含量和结构 |
| 罂粟科植物（Papaveraceae） | 苄基异喹啉生物碱生物合成 | NADPH-cytochrome P450 reductase | NADPH-细胞色素P450还原酶 | 能量供给 | 提供电子，与P450共表达改变产物谱 |
关键发现
- 植物中存在非甲羟戊酸的DXP途径，DXP合酶基因已从薄荷、胡椒及大肠杆菌克隆。
- 非洲菊gchs2基因（与功能性CHS有73%氨基酸序列同一性）实际上催化乙酰CoA与两分子丙二酰CoA形成6-甲基-4-羟基-2-吡喃酮。
- 紫花苜蓿查尔酮合酶晶体结构解析至1.58–1.8 Å。
- 玉米DIMBOA生物合成由4个连续细胞色素P450催化，相关基因定位于2.5 kb、4 cM和2 cM的连锁区间内。
- 从拟南芥cDNA文库扩增出16个不同的细胞色素P450，各具组织特异性和对创伤、光照的响应。
- 高粱生氰糖苷dhurrin生物合成前六步仅由两个细胞色素P450（CYP79和CYP71E1）催化。
- 白藜芦醇具有抗癌活性，可抑制核糖核苷酸还原酶。
- 大豆异黄酮genistein和daidzein有助于防止低密度脂蛋白氧化。
研究结论
植物天然产物生物合成酶基因的克隆已可通过PCR或EST数据库搜索完成，异源表达功能分析成为常规手段；功能基因组学将加速新基因发现，但需要在遗传上难以处理的富含天然产物的植物物种中发展体内功能分析方法。