Volatile science? Metabolic engineering of terpenoids in plants
- 作者
- Asaph Aharoni, Maarten A. Jongsma, Harro J. Bouwmeester
- 单位
- Weizmann Institute of Science, PO Box 26, Rehovot 76100, Israel; Plant Research International, PO Box 16, 6700 AA Wageningen, The Netherlands
- 杂志
- Trends in Plant Science（2005）
- DOI
- 10.1016/j.tplants.2005.10.005
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过代谢工程手段在植物中提高萜类化合物（特别是挥发性单萜和倍半萜）的产量并调控其组成，同时探讨亚细胞区室化、前体供给和工程改造带来的生物学效应
研究策略
综述植物萜类代谢工程的研究进展，包括改造前体供给（如DXS、DXR、HDR、HMGR、FDP合酶）、异源表达萜类合酶（单萜合酶、倍半萜合酶、二萜合酶）、修饰酶工程（P450羟化酶等）、亚细胞靶向定位以及多基因/多区室协同工程
核心内容
该文系统综述了植物萜类代谢工程的研究进展，重点探讨了通过改造前体供给、异源表达萜类合酶、修饰酶工程及亚细胞靶向定位等策略提升挥发性单萜和倍半萜产量的方法。研究发现，薄荷中过表达DXR可使精油产量提高50%，而拟南芥中联合表达TXS与DXS或HDR可使紫杉二烯积累量分别提高6.5倍和13倍；在青蒿中过表达FDP合酶使青蒿素含量提高2-3倍。通过共抑制薄荷中柠檬烯-3-羟化酶，精油中柠檬烯含量可高达80%，而野生型仅为2%。此外，将草莓双功能合酶FaNES1同时靶向质体和线粒体，证明异戊烯基前体在不同亚细胞区室间存在交换利用，跨区室多步工程可行。研究还利用转基因植物验证了萜类对昆虫行为的生态调控作用，如芳樟醇产生品系显著驱避桃蚜。文章指出单萜工程已实现高水平生产，倍半萜工程仍受代谢通道化限制，未来可通过人工融合酶、器官特异性启动子及转录因子调控等手段进一步提升效率。
创新点
['提出亚细胞区室间前体交换并非严格隔离，可通过靶向不同细胞器（质体、线粒体、细胞质、内质网）实现多步途径工程', '利用草莓FaNES1双功能合酶同时靶向质体和线粒体，证明FDP在多个区室中可供利用', '通过共抑制策略调控薄荷单萜代谢，实现精油组成改变', '在烟草中实现两步单萜羟化工程，证明跨区室（质体→内质网）的多步代谢工程可行', '利用转基因植物验证萜类对昆虫行为的调控作用（如蚜虫驱避、捕食螨吸引）']
研究对象（18）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 薄荷（Mentha × piperita） | MEP途径 | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 过表达使精油产量增加50% |
| 薄荷（Mentha × piperita） | 单萜生物合成 | MFS | 薄荷呋喃合酶（细胞色素P450） | 催化 | 抑制表达降低薄荷呋喃含量，精油产量不变 |
| 薄荷（Mentha × piperita） | 单萜生物合成 | LH | 柠檬烯-3-羟化酶 | 催化 | 共抑制导致柠檬烯积累至总精油80%，野生型仅2% |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 甲羟戊酸途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 组成型过表达使总甾醇增加3-10倍 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 单萜生物合成 | γ-TPS, β-PS, LS | γ-萜品烯合酶、β-蒎烯合酶、柠檬烯合酶 | 催化 | 共表达三种柠檬单萜合酶产生新单萜产物 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 单萜生物合成 | PfLS | 紫苏柠檬烯合酶 | 催化 | 质体或胞质定位可产生柠檬烯，内质网定位无活性 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 单萜羟化 | CILS, LH | 柠檬烯合酶和柠檬烯-3-羟化酶 | 催化 | 两步工程产生(+)-反式异胡薄荷醇 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 二萜生物合成 | CYP71D16-like (cembratrien-ol hydroxylase) | cembratrien-醇羟化酶 | 催化 | 抑制该P450基因增强蚜虫抗性 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 倍半萜生物合成 | trichodiene synthase | 毛癣烯合酶（真菌） | 催化 | 细胞悬浮培养经诱导后毛癣烯产量增加10倍 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | MEP途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 与TXS共表达使紫杉二烯提高6.5倍 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | MEP途径 | HDR | 羟甲基丁烯基二磷酸还原酶 | 催化 | 与TXS共表达使紫杉二烯提高13倍 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 紫杉醇生物合成 | TXS | 紫杉二烯合酶 | 催化 | 诱导表达时紫杉二烯达0.6 μg/g干重 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 单萜/倍半萜生物合成 | FaNES1 | 芳樟醇/橙花叔醇合酶 | 催化 | 质体靶向产生芳樟醇及衍生物，线粒体靶向产生橙花叔醇和(E)-DMNT |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 倍半萜生物合成 | CiGASlo | 洋菊苣大牻牛儿烯A合酶 | 催化 | 胞质表达仅产生低水平大牻牛儿烯A |
| 青蒿（Artemisia annua） | 甲羟戊酸途径/青蒿素生物合成 | FDP synthase | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 过表达使青蒿素含量提高2-3倍 |
| 番茄（Lycopersicon esculentum） | 单萜生物合成 | Lis | S-芳樟醇合酶 | 催化 | 果实成熟特异启动子驱动，积累S-芳樟醇和8-羟基芳樟醇 |
| 矮牵牛（Petunia hybrida） | 单萜生物合成 | Lis | S-芳樟醇合酶 | 催化 | 新产生的芳樟醇被内源糖基转移酶转化为S-芳樟基-β-D-吡喃葡萄糖苷 |
| 香石竹（Dianthus caryophyllus） | 单萜生物合成 | Lis | S-芳樟醇合酶 | 催化 | 组成型表达，检测到游离芳樟醇及其顺反氧化物 |
关键发现
['薄荷中过表达DXR使精油产量提高50%', '拟南芥中过表达TXS并叠加DXS或HDR表达，紫杉二烯积累量分别提高6.5倍和13倍（相对于仅表达TXS）', '在烟草中组成型过表达HMGR使总甾醇含量提高3-10倍', '在青蒿中过表达FDP合酶使青蒿素含量提高2-3倍', '薄荷中共抑制limonene-3-hydroxylase导致精油中柠檬烯积累量高达总精油的80%，野生型仅为2%', '拟南芥诱导表达TXS时紫杉二烯水平约为0.6 μg/g干重，比烟草中倍半萜合酶产物高10-60倍，但比拟南芥中单萜产物低1000倍', '转基因烟草共表达三种柠檬单萜合酶可产生γ-萜品烯、(+)-柠檬烯和(-)-β-蒎烯', '靶向线粒体的FaNES1在拟南芥中产生(3S)-E-橙花叔醇及C11均萜烯(E)-DMNT，该植物吸引捕食性螨', '转基因薄荷中抑制薄荷呋喃合酶（MFS）表达可降低薄荷呋喃含量但不改变精油产量', '转基因拟南芥过表达FaNES1产生芳樟醇的品系在双选择实验中显著驱避桃蚜']
研究结论
过去几年萜类代谢工程取得显著进展，尤其是单萜的工程改造已实现高水平生产；倍半萜工程仍具有挑战性，可能与代谢通道化有关。亚细胞靶向显示前体在不同区室间存在交换，多区室多步工程可行。未来可借助人工融合酶、强启动子、器官/腺体特异性启动子及转录因子调控等手段进一步提升工程效率，并利用转基因植物研究萜类的生态学功能及商业应用。