Characterization of two monoterpene synthases involved in floral scent formation in Hedychium coronarium
- 作者
- Yuechong Yue, Rangcai Yu, Yanping Fan
- 单位
- The Research Center for Ornamental Plants, College of Horticulture, South China Agricultural University; College of Life Sciences, South China Agricultural University; Guangdong Key Laboratory for Innovative Development and Utilization of Forest Plant Germplasm, South China Agricultural University
- 杂志
- Planta（2014）
- DOI
- 10.1007/s00425-014-2127-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
姜花（Hedychium coronarium）花香中单萜类化合物的生物合成机制尚不清楚，特别是负责合成桧烯和芳樟醇的萜烯合酶基因未被鉴定。
研究策略
从姜花中克隆了两个候选萜烯合酶基因HcTPS7和HcTPS8，通过大肠杆菌异源表达、体外酶活分析、产物鉴定、亚细胞定位和基因表达分析，阐明其在单萜生物合成中的功能。
核心内容
该研究从姜花中克隆并功能表征了两个参与花香形成的单萜合酶基因HcTPS7和HcTPS8。通过大肠杆菌异源表达和体外酶活分析，发现HcTPS7以GPP为底物主要生成桧烯（占产物74.1%），同时产生α-蒎烯、β-蒎烯等九种副产物；HcTPS8则几乎专一性催化GPP生成芳樟醇（占96.2%），且对GPP的比活力是对FPP的53倍，还能以FPP为底物生成α-佛手柑烯、β-金合欢烯等多种环状倍半萜，属双功能萜烯合酶。酶动力学参数显示HcTPS7的催化效率为2.17 s⁻¹ mM⁻¹，HcTPS8为4.31 s⁻¹ mM⁻¹。亚细胞定位证实两酶均定位于质体，基因表达分析显示二者在花瓣和萼片中高表达，其中HcTPS8的表达量约为HcTPS7的16倍，且表达水平与花香释放呈正相关。该研究首次鉴定了姜花中桧烯和芳樟醇合成的关键酶，揭示了其双功能催化特性，为姜花花香形成的分子机制及花香性状的遗传改良提供了理论基础。
创新点
首次从姜花中克隆并功能表征了两个单萜合酶HcTPS7（桧烯合酶）和HcTPS8（芳樟醇合酶/双功能萜烯合酶）；发现HcTPS8是双功能酶，既能催化GPP生成芳樟醇，又能催化FPP生成多种环状倍半萜；揭示了其表达与花香释放的关联。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli Rosetta (DE3) | 萜类生物合成（单萜/倍半萜） | HcTPS7 | 桧烯合酶（Sabinene synthase） | 催化 | 以GPP为底物主要生成桧烯(74.1%)，多产物酶，Km=26.49 μM，定位于质体 |
| Escherichia coli Rosetta (DE3) | 萜类生物合成（单萜/倍半萜） | HcTPS8 | 芳樟醇合酶（Linalool synthase）/双功能萜烯合酶 | 催化 | 以GPP生成芳樟醇(96.2%)，以FPP生成多种环状倍半萜；Km(GPP)=20.54 μM，定位于质体 |
| 拟南芥叶肉原生质体 | 亚细胞定位 | HcTPS7/HcTPS8 | GFP融合蛋白 | 区室化 | N端80个氨基酸肽段足以靶向质体 |
| 姜花（Hedychium coronarium） | 单萜生物合成 | HcTPS7 | — | 调控 | 在花瓣和萼片中高表达，在营养器官中几乎检测不到；表达峰值在花发育48小时，与桧烯释放正相关 |
| 姜花（Hedychium coronarium） | 单萜生物合成 | HcTPS8 | — | 调控 | 在花瓣和萼片中高表达，表达峰值在40小时，与芳樟醇释放正相关（r=0.632） |
关键发现
- HcTPS7以GPP为底物主要生成桧烯(74.1%)，另产生9种副产物（α-侧柏烯5.0%、α-蒎烯3.2%、β-蒎烯8.2%、月桂烯1.7%、α-水芹烯0.4%、α-萜品烯1.8%、β-水芹烯2.2%、γ-萜品烯2.7%、萜品油烯0.7%），Km=26.49±6.31 μM，Vmax=828.92±76.57 pkat/mg，Kcat=0.057 s⁻¹，催化效率2.17 s⁻¹ mM⁻¹。HcTPS8以GPP为底物几乎专一生成芳樟醇(96.2%)，另含微量月桂烯1.6%、柠檬烯1.4%、(Z)-β-罗勒烯0.8%
- 以FPP为底物生成α-佛手柑烯36.6%、β-金合欢烯11.9%、α-姜黄烯5.0%、(Z)-α-红没药烯18.3%、β-红没药烯8.2%、β-倍半水芹烯3.6%及7种未鉴定倍半萜(16.4%)。HcTPS8对GPP的Km=20.54±4.52 μM，Vmax=1272.33±101.06 pkat/mg，Kcat=0.088 s⁻¹，催化效率4.31 s⁻¹ mM⁻¹
- 对GPP的比活力是对FPP的53倍。HcTPS8表达量约为HcTPS7的16倍。
研究结论
HcTPS7和HcTPS8是参与姜花花香中桧烯和芳樟醇生物合成的关键单萜合酶，定位于质体，在花瓣和萼片中高表达，表达水平与花香释放呈正相关。该研究为姜花萜烯生物合成的分子机制提供了新见解，并为姜花花香性状的遗传改良奠定了基础。