Biosynthesis and Biological Functions of Terpenoids in Plants
- 作者
- Dorothea Tholl
- 杂志
- Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology（2014）
- DOI
- 10.1007/10_2014_295
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
综述植物萜类化合物的核心生物合成途径（MVA和MEP）、调控网络及功能多样化机制，以支持高价值萜类产品的代谢工程与可持续应用。
研究策略
系统综述萜类前体合成、异戊烯基二磷酸缩合、萜烯合酶功能与调控因子，结合代谢工程案例（如质体靶向表达、酶工程）总结提高产量的策略。
核心内容
植物萜类化合物是自然界中结构最多样的天然产物，迄今已鉴定超过四万种，其生物合成由细胞质中的甲羟戊酸（MVA）途径和质体中的甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径共同提供前体。该综述系统梳理了这两条途径的关键酶、中间代谢物流向及多层次调控机制，尤其关注异戊烯基二磷酸的缩合与环化如何决定最终产物结构多样性。在MEP途径中，HDR酶将HMBPP转化为异戊烯基二磷酸（IPP）和二甲基烯丙基二磷酸（DMAPP），二者比例约为5:1至6:1。研究发现，短链顺式异戊烯基转移酶家族（如番茄中的NDPS1、(Z,Z)-FPP合酶等）可为萜烯合酶提供非经典底物，拓展了产物谱系。通过区室化工程策略，在烟草质体中共表达FPP合酶与倍半萜合酶可使倍半萜产量提升约1000倍；而GGPPS与萜烯合酶的蛋白工程组合更使levopimaradiene产量提高超过2000倍。此外，芥菜HMGS的过表达可显著提高甾醇含量并促进植株生长。这些研究揭示，植物萜类代谢通过转录、翻译后和区室化的协同调控实现功能多样化，而结合合成生物学与酶工程可有效推动高价值萜类在植物底盘中的高效生产，并助力可持续农业中萜类挥发物的防御应用。
创新点
整合最新进展，突出萜类代谢的多层次调控（转录、翻译后、反馈）、短链顺式异戊烯基转移酶的发现、萜烯合酶结构-功能关系，以及区室化工程提高产量的应用。
研究对象（27）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MVA途径 | AACT | 乙酰乙酰CoA硫解酶 | 催化 | 催化两分子乙酰CoA缩合为乙酰乙酰CoA；AACT2敲低导致甾醇含量下降并下调下游基因表达。 |
| 芥菜 (Brassica juncea) | MVA途径 | HMGS1 | HMG-CoA合酶 | 催化 | HMGS四成员基因家族之一；HMGS1过表达可上调植物HMGR和甾醇合成基因，提高甾醇含量和抗逆性。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MVA途径 | HMGR1/HMGR2 | HMG-CoA还原酶 | 催化 | 限速酶，受SnRK1磷酸化和PP2A去磷酸化调控；拟南芥两个HMGR基因对甾醇合成必需。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MVA途径 | MK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | 受IPP、DMAPP、GPP和FPP反馈抑制，作为ATP竞争性抑制剂。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MVA途径 | PMK | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | ATP依赖的磷酸化步骤。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MVA途径 | MVD/MPDC | 甲羟戊酸二磷酸脱羧酶 | 催化 | ATP驱动脱羧消除；拟南芥MVD1可能定位于胞质。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP途径 | DXS1/DXS2 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 限速酶；DXS1突变呈白化表型，DXS2参与菌根诱导的脱辅基类胡萝卜素代谢。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP途径 | DXR/DXR1 | DXP还原异构酶 | 催化 | 可被磷甘霉素抑制；dxr突变体白化，赤霉素和ABA生物合成缺陷。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP途径 | MCT | 4-二磷酸胞苷-2-C-甲基赤藓醇合酶 | 催化 | MCT突变体白化并下调光合基因。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP途径 | CMK | CDP-ME激酶 | 催化 | 沉默CMK导致MCT、MDS和HDS表达上调。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP途径 | MDS | 2-C-甲基赤藓醇2,4-环二磷酸合酶 | 催化 | 催化MEcPP形成。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP途径 | HDS | HMBPP合酶 | 催化 | hds-3(csb3)突变体对活体营养型病原菌更抗病；可经光系统电子传递链的ferredoxin直接还原。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP途径 | HDR | HMBPP还原酶 | 催化 | 产生IPP和DMAPP，比例约5:1至6:1。 |
| 植物 | 萜类前体合成 | IDI | 异戊烯基焦磷酸异构酶 | 催化 | 定位于线粒体和质体，催化IPP异构化为DMAPP。 |
| 薄荷 (Mentha piperita) | 单萜生物合成 | GPS | 牻牛儿基二磷酸合酶 | 催化 | 异源四聚体LSU/SSU I；SSU I结合LSU产生GPP；类似异源二聚体GPS也存在于金鱼草、啤酒花等植物。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 倍半萜/三萜/甾醇生物合成 | FPS1/FPS2 | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 双突变体胚胎早期发育停滞；FPS2在成熟种子中表达更高且酶活和热稳定性更高。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 二萜/类胡萝卜素/叶绿素/赤霉素等生物合成 | GGPS11 | 牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶 | 催化 | 基因组含12个GGPS旁系同源，其中10个有活性；GGPS11定位质体，GGPS1定位线粒体。 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 单萜/倍半萜生物合成 | NDPS1/SICPT1, SICPT6, SICPT2 | 顺式异戊烯基转移酶 | 催化 | 分别合成NPP、(Z,Z)-FPP和NNPP，为萜烯合酶提供非经典底物；均靶向质体。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 聚异戊二烯醇生物合成 | AtCPT6 | 顺式异戊烯基转移酶 | 催化 | 产生6-8个异戊二烯单位的聚异戊二烯二磷酸，参与根中多异戊二烯醇合成。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 挥发性萜类生物合成 | TPS02/TPS08 | 萜烯合酶 | 催化 | TPS02为胞质双功能单萜/倍半萜合酶；TPS08产生rhizathalene，参与地下防御。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MVA途径调控 | SnRK1 | SNF1相关蛋白激酶1 | 调控 | 磷酸化并失活HMGR1催化域，受PRL1抑制。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MVA途径调控 | PP2A | 蛋白磷酸酶2A | 调控 | 去磷酸化HMGR1，参与发育和盐胁迫响应的负调控。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MVA/MEP途径调控 | PRL1 | 多效调节位点1 | 调控 | 全局调控糖、胁迫和激素响应；突变体积累MEP途径产物，HMGR活性降低。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP/类胡萝卜素途径光调控 | PIFs | 光敏色素互作因子 | 调控 | 介导光对MEP和类胡萝卜素基因的调控；PIF与phyB相关。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP途径转录调控 | RAP2.2 | 乙烯应答因子B-2亚家族 | 调控 | 结合DXS、DXR、CMK、HDR和PSY启动子共有的顺式元件。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 倍半萜合酶基因调控 | MYC2 | bHLH转录因子 | 调控 | 与DELLA蛋白互作，调节倍半萜合酶基因表达和茉莉酸响应。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 光信号调控 | PHYB | 光敏色素B | 调控 | phyB突变体HMGR转录和酶活增强，但MEP途径产物降低；调控MEP和MVA途径的昼夜/光响应。 |
关键发现
- ['植物至少产生 40,000 种萜类化合物，是化学结构最多样的天然产物类别。', '质体中 HDR（IspH）将 HMBPP 转化为 IPP 和 DMAPP，二者比例约为 5:1 至 6:1。', '在烟草质体共表达 FPP 合酶与倍半萜合酶，使倍半萜产量提高约 1000 倍。', '通过 GGPPS 与萜烯合酶的蛋白工程组合，使前体 levopimaradiene 产量提高超过 2000 倍。', '拟南芥含有 12 个 GGPS 旁系同源基因，其中 10 个编码功能性 GGPP 合酶。', '番茄顺式异戊烯基转移酶家族有 9 个成员，其中 NDPS1、(Z,Z)-FPP合酶、NNPP合酶分别合成 NPP、(Z,Z)-FPP 和 NNPP，为萜烯合酶提供非经典底物。', '芥菜中 HMGS 为四成员基因家族
- 在烟草中过表达 HMGS 可提高甾醇含量、植株生长和种子产量。']
研究结论
植物萜类代谢由 MVA 和 MEP 两条途径提供前体，并通过转录、翻译后和区室化多重调控实现功能多样化；异戊烯基转移酶和萜烯合酶的底物/产物特异性决定了萜类结构多样性。结合合成生物学和酶工程（如质体靶向、突变组合），可显著提高高价值萜类在植物和微生物中的产量，同时利用萜类挥发性物质在植物防御中开发可持续农业策略。