The use of genetics to dissect plant secondary pathways
- 作者
- Johan Memelink
- 单位
- Institute of Biology, Leiden University, Clusius Laboratory
- 杂志
- Current Opinion in Plant Biology（2005）
- DOI
- 10.1016/j.pbi.2005.03.003
- 所属领域
- 植物次生代谢
- 关键词
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解决的核心问题
利用经典遗传学和反向遗传学方法解析植物次生代谢途径的中间产物、酶活、基因调控机制以及代谢物转运，尤其关注模式植物拟南芥和非模式植物中的研究进展。
研究策略
综述了表型驱动的经典遗传学（如转座子/T-DNA插入突变、图位克隆）和基因驱动的反向遗传学（过表达、RNAi、TILLING）在植物次生代谢研究中的应用，并重点介绍T-DNA激活标签技术及多基因敲除策略。
核心内容
该文综述了遗传学方法在解析植物次生代谢途径中的系统性应用，重点聚焦拟南芥硫代葡萄糖苷和苯丙烷代谢，并延伸至罂粟、烟草等非模式植物。通过经典正向遗传学（转座子/T-DNA插入、图位克隆）与反向遗传学（过表达、RNAi、TILLING）的结合，研究揭示了多个关键调控节点：CYP79F1/CYP79F2双敲除完全阻断了脂肪族硫代葡萄糖苷合成，而CYP79B2/CYP79B3双敲除导致抗菌素camalexin完全缺失，同时证实CYP83B1缺失通过上调ATR1转录因子引发生长素过量积累，将次生代谢与激素稳态直接关联。在苯丙烷途径中，REF1编码的醛脱氢酶被证明将松柏醛和芥子醛转化为阿魏酸和芥子酸，确立了后者为终产物而非中间体；BAN基因则被重新鉴定为花色素还原酶。针对非模式植物，罂粟EMS诱变筛选8000株获得top1突变体，完全丧失吗啡和可待因合成却累积前体蒂巴因；烟草PMT基因RNAi使尼古丁含量显著降低并出现anatabine积累，罂粟COR基因RNAi则导致代谢流回退至网状番荔枝碱。这些结果确立了遗传学手段在次生代谢网络解析中的核心价值，尤其在揭示途径交叉调控和隐蔽中间产物方面具有不可替代的优势。
创新点
遗传学方法颠覆了苯丙烷代谢中关于中间产物和酶活性的传统观点；揭示了硫代葡萄糖苷生物合成与生长素稳态之间的复杂关联；T-DNA激活标签在非模式植物（如番茄、长春花）中成功鉴定到次生代谢转录调控因子。
研究对象（22）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 | 硫代葡萄糖苷生物合成 | CYP79F1 | CYP79F1 | 催化 | 催化脂肪族硫代葡萄糖苷生物合成中链和长链底物的转化 |
| 拟南芥 | 硫代葡萄糖苷生物合成 | CYP79F2 | CYP79F2 | 催化 | 仅催化长链脂肪族硫代葡萄糖苷的生物合成 |
| 拟南芥 | 硫代葡萄糖苷生物合成 | CYP83A1 | CYP83A1 | 催化 | ref2突变体基因，位于CYP79下游一个酶促步骤，影响脂肪族硫代葡萄糖苷水平 |
| 拟南芥 | 硫代葡萄糖苷生物合成 | SUR1 | SUR1 | 催化 | C-S裂解酶，产生硫羟肟酸；sur1突变体完全缺乏脂肪族和吲哚硫代葡萄糖苷 |
| 拟南芥 | 硫代葡萄糖苷生物合成 | UGT74B1 | UGT74B1 | 催化 | 糖基转移酶，催化SUR1下游一步的糖基化反应；突变导致硫代葡萄糖苷减少和生长素水平升高 |
| 拟南芥 | 吲哚硫代葡萄糖苷/植保素/生长素合成 | CYP79B2 | CYP79B2 | 催化 | 催化色氨酸代谢第一步，双敲除CYP79B2/B3导致camalexin完全缺失 |
| 拟南芥 | 吲哚硫代葡萄糖苷/植保素/生长素合成 | CYP79B3 | CYP79B3 | 催化 | 与CYP79B2功能冗余，共同催化吲哚-3-乙醛肟生成 |
| 拟南芥 | 吲哚硫代葡萄糖苷生物合成 | CYP83B1 | CYP83B1 | 催化 | 将吲哚-3-乙醛肟导入吲哚硫代葡萄糖苷分支；突变体sur2表现出超根表型 |
| 拟南芥 | 色氨酸/吲哚硫代葡萄糖苷生物合成调控 | ATR1 | ATR1 (AtMYB34) | 调控 | MYB型转录因子，调控色氨酸合成基因及CYP79B2、CYP79B3、CYP83B1表达 |
| 拟南芥 | 苯丙烷代谢 | C3H | CYP98A3 | 催化 | 对香豆酸莽草酸/奎尼酸酯3-羟化酶；ref8突变体基因 |
| 拟南芥 | 苯丙烷代谢 | REF1 | REF1 | 催化 | 醛脱氢酶，将松柏醛和芥子醛分别转化为阿魏酸和芥子酸 |
| 拟南芥 | 类黄酮/原花色素生物合成 | BAN | BAN (花色素还原酶) | 催化 | 实际为花色素还原酶，催化无色花色素下游一步反应；ban突变体种子透明 |
| 拟南芥 | 原花色素生物合成调控 | TT2 | TT2 | 调控 | R2R3 MYB转录因子，与TT8、TTG1协同调控BAN表达 |
| 拟南芥 | 原花色素生物合成调控 | TT8 | TT8 | 调控 | bHLH转录因子，直接结合BAN启动子 |
| 拟南芥 | 原花色素生物合成调控 | TTG1 | TTG1 | 调控 | WD-重复蛋白，与TT2、TT8形成复合体调控BAN |
| 拟南芥 | 花色素/原花色素积累 | TT19 | TT19 (谷胱甘肽S-转移酶) | 转运 | 参与花色素和原花色素的积累，可能涉及液泡转运 |
| 罂粟 | 吗啡生物合成 | top1 | 未知 | 调控 | EMS诱变突变体，不含吗啡和可待因，积累蒂巴因和oripavine；具体基因未鉴定 |
| 拟南芥 | 花色素苷生物合成调控 | PAP1 | PAP1 (PRODUCTION OF ANTHOCYANIN PIGMENT1) | 调控 | MYB型转录因子，T-DNA激活标签鉴定，过表达使植株呈紫色 |
| 番茄 | 花色素苷生物合成调控 | ANT1 | ANT1 (ANTHOCYANIN1) | 调控 | MYB型转录因子，T-DNA激活标签鉴定，过表达上调花色素合成、糖基化和转运基因 |
| 长春花 | 萜类吲哚生物碱生物合成 | ORCA3 | ORCA3 | 调控 | AP2/ERF转录因子，调控茉莉酸响应的TIA合成基因表达 |
| 烟草 | 尼古丁生物合成 | PMT | 腐胺N-甲基转移酶 | 催化 | PMT基因RNAi或反义抑制导致尼古丁含量降低并积累anatabine |
| 罂粟 | 吗啡生物合成 | COR | 可待因酮还原酶 | 催化 | RNAi沉默所有7个COR家族成员后，吗啡和可待因水平显著降低，积累网状番荔枝碱 |
关键发现
- CYP79F1和CYP79F2双敲除完全 abolished 脂肪族硫代葡萄糖苷生物合成
- CYP83A1（ref2突变）同时影响苯丙烷和硫代葡萄糖苷水平
- sur1突变体完全缺乏脂肪族和吲哚硫代葡萄糖苷，并因吲哚-3-乙醛肟积累导致生长素水平升高。CYP79B2/CYP79B3双敲除导致抗菌素camalexin完全缺失。ATR1（AtMYB34）转录因子调控色氨酸生物合成及CYP79B2、CYP79B3、CYP83B1基因表达。CYP83B1缺失突变体通过上调ATR1及ASA1、CYP79B2导致生长素过量。REF1基因编码醛脱氢酶，可将松柏醛和芥子醛分别转化为阿魏酸和芥子酸，使阿魏酸和芥子酸成为终产物而非中间产物。BAN基因实际编码花色素还原酶，而非无色花色素还原酶。TT2、TT8和TTG1通过直接结合BAN启动子协同调控原花色素合成。在罂粟EMS诱变中筛选8000株植株获得top1突变体，该突变体不含吗啡和可待因，但积累了前体蒂巴因和oripavine
- 使用17000基因微阵列鉴定出10个下调基因。烟草中PMT基因RNAi导致根中转录本减少，叶片尼古丁含量降低，并出现anatabine积累
- 罂粟中COR基因家族RNAi后吗啡和可待因水平显著降低，检测不到吗啡型前体，反而积累上游7个酶促步骤之前的网状番荔枝碱（reticuline）及其甲基化衍生物。
研究结论
遗传学手段在拟南芥次生代谢研究中取得了巨大成功，不仅解析了硫代葡萄糖苷和苯丙烷代谢的基本网络，还揭示了其与植物激素稳态的联系。对非模式植物而言，除RNAi反向遗传学外，其他遗传学方法应用仍有限，但T-DNA激活标签已展示出潜力。未来需进一步研究转录调控因子的活性调控以及代谢物和酶在细胞内外的转运机制。