高级醇 · 代谢工程文献库

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The biochemistry of homoterpenes - Common constituents of floral and herbivore-induced plant volatile bouquets

作者
Dorothea Tholl, Reza Sohrabi, Jung-Hyun Huh, Sungbeom Lee
单位
Department of Biological Sciences, 408 Latham Hall, AgQuad Lane, Virginia Tech, Blacksburg, VA 24061, USA
杂志
Phytochemistry（2011）
DOI
10.1016/j.phytochem.2011.01.019
所属领域
植物代谢生物学
关键词
Cytochrome P450Floral scentHomoterpeneIndirect defensePlant volatilesTerpene synthase
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解决的核心问题

阐明植物挥发性同源萜类化合物DMNT和TMTT的生物合成途径、酶学机制及其调控，并探讨其在植物防御与传粉中的作用。

研究策略

系统综述同源萜类的分布与功能，重点总结拟南芥中两步酶促合成途径（萜烯合酶和P450）的基因鉴定与功能验证，并讨论亚细胞定位与工程化策略。

研究路线图

100%
研究问题：同源萜类生物合成途径与功能
策略：系统综述萜类分布与酶学机制
关键改造：鉴定TPS与CYP82G1两步酶促反应
结果：DMNT/TMTT合成机理与底物选择性明确
结论：独立进化与代谢工程应用潜力
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核心内容

该研究系统阐明了植物挥发性同源萜类化合物DMNT和TMTT的生物合成途径与酶学机制。通过综述拟南芥中的研究进展，明确了这两类化合物由两步酶促反应合成：首先由萜烯合酶AtGES催化生成前体，随后经细胞色素P450单加氧酶CYP82G1氧化裂解产生最终产物。研究发现CYP82G1对底物具有严格的选择性，仅转化3S-(E)-nerolidol和(E,E)-geranyllinalool，而不作用于结构类似的linalool或(Z)-nerolidol；该酶与杨树、木瓜中的CYP82L1/L2/L3共享约50%的氨基酸序列同一性。在拟南芥中组成型表达AtGES可使TMTT排放量达到激发态野生型水平，而CYP82G1与AtGES的共表达则能确保前体高效转化为终产物。该工作揭示了同源萜类合成酶在不同植物谱系中可能独立进化的特点，为同源萜类的代谢工程改造以及植物-昆虫互作研究提供了关键的基因工具和理论依据。

创新点

首次综述了CYP82G1酶作为催化(E)-nerolidol和(E,E)-geranyllinalool氧化裂解生成同源萜类的关键P450；提出同源萜类合成酶在不同植物谱系中独立进化的观点；为工程化同源萜类形成提供理论依据。

研究对象（5）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 萜类生物合成途径 (C16-同源萜TMTT合成) AtGES (TPS04) (E,E)-geranyllinalool synthase 催化 催化GGPP生成(E,E)-geranyllinalool，是TMTT生物合成的第一步，定位于细胞质/内质网。
拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 萜类生物合成途径 (C11/C16-同源萜合成) CYP82G1 (At3g25180) 细胞色素P450单加氧酶 催化 催化(E,E)-geranyllinalool和(E)-nerolidol的氧化裂解分别生成TMTT和DMNT，是第二酶促步骤。
蒺藜苜蓿 (Medicago truncatula) 萜类生物合成途径 MtTPS3 多功能的萜烯合酶 催化 在体外可产生(E)-nerolidol、(E,E)-geranyllinalool和linalool，参与虫害诱导的DMNT和TMTT形成。
玉米 (Zea mays) 萜类生物合成途径 ZmTPS1 倍半萜合酶 催化 以FPP为底物产生(E)-nerolidol、(E)-β-farnesene和(E,E)-farnesol，为DMNT提供前体。
草莓 (Fragaria × ananassa) 萜类生物合成途径 FaNES1 (E)-nerolidol/linalool合酶 催化 在转基因拟南芥中定位于线粒体时可产生DMNT，表明线粒体也是(E)-nerolidol合成场所。

关键发现

  1. 同源萜类DMNT（C11）和TMTT（C16）是植物挥发物的重要组分
  2. 其生物合成由萜烯合酶（如AtGES）和单一P450酶CYP82G1依次催化
  3. CYP82G1与杨树和木瓜的CYP82L1/L2/L3共享约50%的氨基酸序列同一性
  4. CYP82G1对底物具有严格选择性，可转化3S-(E)-nerolidol和(E,E)-geranyllinalool，但不转化linalool、(Z)-nerolidol、geranylgeraniol等
  5. 拟南芥中AtGES组成型表达可使TMTT排放量达到激发态野生型水平
  6. CYP82G1与AtGES的共表达确保前体高效转化为TMTT。

研究结论

同源萜类生物合成途径由两步酶促反应组成，在拟南芥中由AtGES和CYP82G1执行，其基因鉴定为同源萜类代谢工程和植物-昆虫互作研究提供了关键工具。