Diversity, regulation, and genetic manipulation of plant mono- and sesquiterpenoid biosynthesis
- 作者
- Fengnian Yu, Ryutaro Utsumi
- 杂志
- Cellular and Molecular Life Sciences（2009）
- DOI
- 10.1007/s00018-009-0066-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物单萜和倍半萜类化合物生物合成的多样性、调控机制及遗传改造策略
研究策略
综述植物单萜和倍半萜生物合成途径、亚细胞区室化、萜烯合酶的多样性与功能可塑性、时空调控，以及利用转基因植物对萜类产生进行遗传操作的研究进展
研究路线图
核心内容
该研究系统综述了植物单萜和倍半萜生物合成的多样性、调控机制及遗传改造策略。文章总结了萜烯合酶的多产物催化特性，指出大冷杉的δ-蛇床烯合酶和γ-蛇麻烯合酶分别可产生多达34种和52种不同倍半萜，而玉米TPS4/TPS5的产物选择性仅由4个氨基酸残基控制，揭示了酶活性位点可塑性在产物多样化中的核心作用。在代谢工程方面，将法尼基焦磷酸合酶与倍半萜合酶共表达并定向至质体，使广藿香醇和amorpha-4,11-diene的产量提高超过1000倍；而番茄中异源表达香叶醇合酶虽提升了单萜积累，却导致番茄红素含量下降约50%，显示了途径间代谢通量竞争与代价。此外，草莓FaNES1在拟南芥中表达产生芳樟醇，可显著驱避蚜虫。这些发现表明，通过酶工程、亚细胞定位优化及多基因共表达策略，可有效改善植物香气、风味与抗虫性状，但需审慎权衡代谢负担，并开发更精细的调控手段以克服产量限制。
创新点
总结了萜烯合酶的多产物催化机制、底物混杂性、可塑性残基重组，以及通过酶亚细胞定位工程和共表达策略显著提高倍半萜产量的新方法
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 玉米 (Zea mays) | 倍半萜生物合成 | TPS4, TPS5 | 倍半萜合酶 TPS4/TPS5 | 催化 | 催化产生复杂倍半萜混合物，产物选择性由活性位点4个氨基酸残基控制 |
| 大冷杉 (Abies grandis) | 倍半萜生物合成 | δ-selinene synthase, γ-humulene synthase | δ-蛇床烯合酶/γ-蛇麻烯合酶 | 催化 | 分别生成34种和52种不同的倍半萜产物 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 单萜/倍半萜生物合成 | FaNES1 | 草莓芳樟醇/橙花叔醇合酶 | 催化 | 过表达产生高浓度芳樟醇，显著驱避蚜虫 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 单萜/倍半萜生物合成 | ZIS | 柠檬罗勒α-律烯合酶 | 催化 | 在番茄果实中过表达同时积累单萜和倍半萜，类胡萝卜素含量略有下降 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 倍半萜生物合成 | FPP合酶 + 倍半萜合酶 | 法尼基焦磷酸合酶与倍半萜合酶 | 催化 | 共表达并靶向质体，使广藿香醇和amorpha-4,11-diene产量提高超过1000倍 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 单萜生物合成 | GES | 香叶醇合酶 | 催化 | 果实特异性启动子驱动表达导致香叶醇及其衍生物高积累，但番茄红素含量降低50% |
| 野生番茄 (Solanum habrochaites) | 倍半萜生物合成 | SBS | 檀香烯/佛手柑烯合酶 | 催化 | 利用Z,Z-FPP和NPP作为底物，产生II类倍半萜，定位于质体 |
| 玉米 (Zea mays) | 倍半萜生物合成 | TPS10 | 倍半萜合酶 TPS10 | 催化 | 在拟南芥中表达强烈释放倍半萜，吸引寄生蜂Cotesia marginiventris |
| 金鱼草 (Antirrhinum majus) | 单萜生物合成 | myrcene/ocimene synthase | 月桂烯/罗勒烯合酶 | 催化 | 花器官特异性表达，受昼夜节律调控，参与花香释放 |
| 薄荷 (Mentha × piperita) | 单萜生物合成（薄荷醇） | limonene synthase, limonene-3-hydroxylase etc. | 柠檬烯合酶、柠檬烯-3-羟化酶等 | 催化 | 薄荷醇生物合成涉及多个修饰酶，区室化研究表明质体来源IPP支持单萜和倍半萜合成 |
关键发现
- 大冷杉δ-蛇床烯合酶和γ-蛇麻烯合酶分别产生34和52种不同倍半萜
- 玉米TPS4和TPS5的产物选择性由4个氨基酸控制
- 共表达FPP合酶和倍半萜合酶并定向至质体使广藿香醇和amorpha-4,11-diene产量提高超过1000倍
- 转基因番茄高积累geraniol导致番茄红素含量降低50%
- 草莓FaNES1在拟南芥中高表达产生芳樟醇显著驱避蚜虫
研究结论
植物萜类生物合成途径复杂且存在区室间交叉对话，萜烯合酶的多功能性和基因进化是多样性的主要来源；代谢工程可改善植物香气、风味和抗虫性，但需开发多基因共表达和调控策略以克服产量限制和代谢代价