Volatile terpenoids: multiple functions, biosynthesis, modulation and manipulation by genetic engineering
- 作者
- Farhat Abbas, Yanguo Ke, Rangcai Yu, Yuechong Yue, Sikandar Amanullah, Muhammad Muzammil Jahangir, Yanping Fan
- 单位
- The Research Center for Ornamental Plants, College of Forestry and Landscape Architecture, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; College of Life Sciences, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; College of Horticulture and Landscape Architecture, Northeast Agricultural University, Harbin, Heilongjiang, China; Institute of Horticultural Sciences, University of Agriculture, Faisalabad, Pakistan; Guangdong Key Laboratory for Innovative Development and Utilization of Forest Plant Germplasm, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China
- 杂志
- Planta（2017）
- DOI
- 10.1007/s00425-017-2749-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
系统综述植物挥发性萜类化合物的多样功能、生物合成途径（MVA/MEP）、调控机制及其遗传工程改造策略，以促进其在作物保护、传粉吸引和药用萜类生产中的应用。
研究策略
文献综述与整合分析，总结萜类生物合成途径、TPS基因功能、时空/转录/转录后调控机制以及代谢工程在模式植物中的应用实例。
研究路线图
核心内容
该文系统综述了植物挥发性萜类化合物的功能、生物合成途径及其遗传工程改造策略。萜类化合物超过40,000种，是植物最大的次生代谢物类群，在花香组分中单萜约占53%、倍半萜约占28%。研究整合了萜类在植物-环境互作中的多种功能，包括传粉吸引、直接与间接防御及农业生态影响，并详细梳理了MVA/MEP两条生物合成途径中TPS基因的功能、时空表达及转录和转录后调控机制。在代谢工程应用方面，文章评述了利用组织特异性启动子、转录因子调控、亚细胞定位改造及宿主选择等策略提升萜类产量的实例。关键结果表明，将ADS和FPS靶向质体可使烟草中amorpha-4,11-二烯积累量较细胞质定位提高约5000倍，但工程化模式植物的萜类积累水平最高仅约0.01%鲜重，提示仍存在瓶颈。该综述为利用遗传工程改善植物防御、花果香气及提高药用萜类产量提供了系统理论依据，并指出未来需进一步解析调控机制并开发更有效的代谢工程策略。
创新点
系统整合了萜类在植物-环境互作中的多种功能（传粉吸引、直接/间接防御、农业生态影响），并评述了利用启动子、转录因子、亚细胞定位和宿主选择等代谢工程策略提高萜类产量的方法。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 倍半萜生物合成 (MVA途径) | TPS10 | TPS10 | 催化 | 玉米倍半萜合酶，异源表达后产生多种倍半萜，吸引寄生蜂Cotesia marginiventris |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 萜类生物合成 | ADS, FPS | Amorpha-4,11-diene synthase, Farnesyl pyrophosphate synthase | 区室化 | 靶向质体定位使ADS积累量较细胞质定位提高约5000倍 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 萜类生物合成 | FaNES1 | FaNES1 (草莓nerolidol合酶) | 催化 | 线粒体靶向表达产生新萜类，吸引捕食螨 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 单萜和倍半萜生物合成 | α-zingiberene synthase | α-zingiberene synthase | 催化 | 来自柠檬罗勒，在细胞质中表达使番茄果实中单萜和倍半萜含量增加 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 倍半萜生物合成 | MYC2 | MYC2 | 调控 | 通过茉莉酸信号通路激活倍半萜合酶基因TPS11和TPS21 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | AaERF1, AaERF2, AaWRKY1 | AP2/ERF转录因子, WRKY转录因子 | 调控 | 正向调控青蒿素生物合成 |
| 姜花 (Hedychium coronarium) | 萜类生物合成 | HcTPS1, HcTPS2 | HcTPS1, HcTPS2 | 催化 | 花特异表达，参与单萜和倍半萜合成 |
关键发现
- 萜类化合物超过40,000种，是最大的植物次生代谢物类群
- 在花香萜类中，单萜约占53%、二萜约占1%、倍半萜约占28%
- 将ADS和FPS靶向质体使烟草中amorpha-4,11-二烯积累量较细胞质定位提高约5000倍
- 工程化模型植物的萜类积累水平最高仅约0.01%鲜重。
研究结论
遗传工程显著提升了对挥发性萜类功能、生物合成和调控的理解，可应用于改善植物防御、果实和花卉香气，并提高药用萜类产量；未来需进一步解析调控机制和开发有效的代谢工程策略。