高级醇 · 代谢工程文献库

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Plant volatile terpenoid metabolism: Biosynthetic genes, transcriptional regulation and subcellular compartmentation

作者
Dinesh A. Nagegowda
单位
Central Institute of Medicinal and Aromatic Plants, P.O. CIMAP, Lucknow 226015, India
杂志
FEBS Letters（2010）
DOI
10.1016/j.febslet.2010.05.045
所属领域
代谢工程
关键词
Metabolic engineeringSpatio-temporal expressionSubcellular localizationTerpene synthaseVolatile terpenoids
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解决的核心问题

植物挥发性萜类化合物的生物合成途径、基因表达调控及亚细胞区室化机制尚不完全清楚，特别是MVA与MEP途径的区室化、萜类合酶的亚细胞定位以及代谢工程中的应用。

研究策略

系统综述了挥发性萜类生物合成相关基因的克隆与功能表征、基因的时空表达模式、酶的亚细胞定位以及代谢工程改造的最新进展。

研究路线图

100%
研究问题：挥发性萜类生物合成机制不清
策略：系统综述基因克隆与功能表征、时空表达、亚细胞定位及代谢工程进展
关键改造：MVA/MEP途径酶与转录调控关系
非经典定位：GPP/单萜与FPP/倍半萜合成
代谢工程：创造非天然GPP/FPP库提升产量
结果：HDR产物比例85:15；FaNES1线粒体靶向产量提升30倍；质体FDS+PTS使patchoulol积累提升100-10000倍
结果：过表达GDS-SSU增加单萜释放但致褪绿矮化；ISPS最适温度45-50°C高Km
结论：转录水平调控为主；亚细胞定位非绝对分离；代谢工程须平衡通量避免影响必需代谢物
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核心内容

植物挥发性萜类代谢的研究长期集中于两条经典合成途径——胞质MVA途径与质体MEP途径，但两者的代谢物交换、酶定位及转录调控机制仍未完全厘清。该文系统梳理了萜类合成基因的克隆、时空表达及亚细胞定位研究，指出挥发性萜类生成主要受转录水平调控，且单萜/倍半萜的前体合成并非严格区隔于质体或胞质。代谢工程实验证实，将法尼基焦磷酸合酶与广谱萜类合酶共表达于质体，可使广藿香醇积累量较天然胞质途径提高100至10000倍；而将FaNES1靶向线粒体时，橙花叔醇产量可较质体靶向提升约30倍，说明引入非天然代谢区室可显著提升目标产物通量。然而，过量表达单萜合酶虽大幅增加单萜释放，却引发植株褪绿与矮化，提示需谨慎平衡异源代谢对质体必需代谢物的冲击。这些发现丰富了萜类代谢区室化理论，也为利用非经典定位策略高效生产高价值挥发性萜类提供了可行思路。

创新点

['提出了挥发性萜类生物合成主要受转录水平调控的观点', '总结出GPP和单萜不一定只在质体合成、FPP和倍半萜不一定只在胞质合成，存在非经典定位', '代谢工程揭示了胞质和质体中存在非天然的GPP和FPP库', "发现植物中存在'沉默代谢'现象"]

研究对象（20）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Arabidopsis thaliana MVA途径 AACT2 acetoacetyl-CoA thiolase 催化 定位于胞质
Arabidopsis thaliana MVA途径 HMGS HMG-CoA synthase 催化 定位于胞质
Brassica juncea MVA途径 BjHMGS1 HMG-CoA synthase 催化 定位于胞质
Arabidopsis thaliana MVA途径 HMGR1 HMG-CoA reductase 催化 定位于内质网及囊泡
Arabidopsis thaliana MEP途径 DXS 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase 催化 定位于质体
Arabidopsis thaliana MEP途径 DXR DOXP reductoisomerase 催化 定位于质体
Arabidopsis thaliana MEP途径 MCT MEP cytidylyltransferase 催化 定位于质体
Arabidopsis thaliana MEP途径 CMK CDP-ME kinase 催化 定位于质体
Arabidopsis thaliana MEP途径 MDS ME-2,4cPP synthase 催化 定位于质体
Arabidopsis thaliana MEP途径 HDS HMBPP synthase 催化 定位于质体
Arabidopsis thaliana MEP途径 HDR HMBPP reductase 催化 定位于质体，催化HMBPP生成IPP和DMAPP（比例85:15）
Arabidopsis thaliana MEP途径 IDI1 isopentenyl diphosphate isomerase 催化 定位于质体，也存在于胞质
Populus alba 异戊二烯合成 ISPS isoprene synthase 催化 定位于叶绿体，最适温度45-50°C，对DMAPP Km高
Arabidopsis thaliana FPP合成 FDS1S farnesyl diphosphate synthase 催化 定位于胞质/ER，参与倍半萜前体FPP合成
Arabidopsis thaliana FPP合成 FDS1L farnesyl diphosphate synthase (线粒体亚型) 催化 定位于线粒体，为线粒体泛醌等提供FPP
Antirrhinum majus 单萜合成 GDS-SSU geranyl diphosphate synthase small subunit 催化 定位于白色体，与LSU互作形成有活性的GDS
Fragaria ananassa 萜类合成 FaNES1 nerolidol/linalool synthase 催化 草莓中定位于胞质，也能产生nerolidol和linalool；线粒体靶向时nerolidol产量提高30倍
Solanum habrochaites 倍半萜合成 SBS santalene and bergamotene synthase 催化 定位于质体，利用ZZ-FPP合成II型倍半萜
Nicotiana tabacum 倍半萜合成 PTS patchoulol synthase 催化 在烟草中靶向质体时产生patchoulol等，表明质体存在FPP库
Solanum lycopersicum 倍半萜/单萜合成 ZIS alpha-zingiberene synthase 催化 番茄果实中过表达导致多种单萜和倍半萜积累，表明胞质存在GPP库

关键发现

  1. MEP途径HDR产生IPP和DMAPP的比例为85:15
  2. 拟南芥中靶向线粒体的FaNES1产生nerolidol的量比靶向质体时提高约30倍
  3. 质体中同时过表达FDS和PTS使patchoulol积累量比天然胞质途径高100-10,000倍
  4. ISPS在45-50°C时活性最高且对DMAPP的Km很高
  5. 烟草中过表达金鱼草GDS-SSU使单萜释放量大幅增加，但导致褪绿和植株矮化。

研究结论

植物挥发性萜类生物合成主要在转录水平调控；亚细胞定位和代谢工程研究表明GPP/单萜和FPP/倍半萜的合成位置并非绝对分离；代谢工程可用于提高有益萜类产量，但须考虑代谢通量平衡，避免影响必需代谢物（如叶绿素、类胡萝卜素等）的合成。