Metabolic engineering of aroma components in fruits
- 作者
- Irene Aragüez, Victoriano Valpuesta
- 单位
- Departamento de Biología Molecular y Bioquímica, Instituto de Hortofruticultura Subtropical y Mediterránea, Universidad de Málaga-Consejo Superior de Investigaciones Científicas (IHSM-UMA-CSIC), Málaga, Spain
- 杂志
- Biotechnology Journal（2013）
- DOI
- 10.1002/biot.201300113
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何在改善果实香气风味的同时不负面影响其他果实品质（如颜色、生长），以及解决现代育种过程中水果风味品质下降的问题
研究策略
综述植物挥发性物质（萜类、脂肪酸衍生物、氨基酸衍生物和碳水化合物衍生物）的生物合成途径，总结利用代谢工程（过表达或沉默相关合成酶/调控因子）及分子标记辅助育种（QTL分析）调控果实香气组成的实验案例和最新进展
研究路线图
核心内容
该综述系统梳理了利用代谢工程调控果实香气成分的研究进展，围绕萜类、脂肪酸衍生物、氨基酸衍生物等挥发性物质的合成途径，总结了在番茄、草莓、柑橘等作物中过表达或沉默关键合成酶和调控因子的实验案例。结果显示，在番茄中表达芳樟醇合酶可促进S-芳樟醇积累；共表达香叶基二磷酸合酶小亚基和香叶醇合酶使单萜产量比单独表达提高3倍以上；过表达氨基酸脱羧酶使2-苯乙醛等含量提高达10倍。然而，代谢通路的复杂互作常导致非预期表型，如强表达芳樟醇合酶的株系生长迟缓，表达香叶醇合酶使果实颜色变浅，沉默类胡萝卜素裂解双加氧酶虽降低β-紫罗兰酮含量但类胡萝卜素水平不变。这些结果说明，代谢工程能有效改变果实香气谱，但需警惕底物竞争和反馈调节带来的负面影响，结合QTL定位的分子标记辅助育种是精准改良果实风味的可行替代策略。
创新点
系统总结了通过异源表达或内源调控多种挥发性合成酶（如芳樟醇合酶、香叶醇合酶、橙花叔醇合酶、丁子香酚合酶、脂氧合酶、脱氢酶等）实现果实香气谱改变的实例；揭示了代谢工程改造中底物竞争、反馈调节等导致的非预期表型；提出结合QTL定位与分子育种的替代策略
研究对象（28）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 萜烯生物合成（单萜） | CbLIS | S-芳樟醇合酶 | 催化 | 来自香石竹（Clarkia breweri），在成熟特异启动子下表达促进S-芳樟醇和8-羟基芳樟醇积累 |
| 马铃薯/拟南芥 | 萜烯生物合成（单萜/倍半萜） | FaNES1 | S-芳樟醇/(3S)-E-橙花叔醇合酶 | 催化 | 来自草莓，组成型过表达产生高水平S-芳樟醇并诱导蚜虫抗性，强表达株系生长缓慢并产生糖苷衍生物 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素衍生物/降异戊二烯挥发物 | SlCCD1A, SlCCD1B | 类胡萝卜素裂解双加氧酶 | 催化 | RNAi沉默导致β-紫罗兰酮和香叶基丙酮减少，但类胡萝卜素含量无显著变化 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 萜烯生物合成（单萜） | ObGES | 香叶醇合酶 | 催化 | 来自罗勒，成熟特异启动子驱动，产生香叶醇、橙花醇、香茅醇等，但果实颜色变浅 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 萜烯生物合成（倍半萜/单萜） | ObZIS | α-律草烯合酶 | 催化 | 来自罗勒，具有倍半萜和单萜合酶活性，过表达产生α-律草烯等 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 萜烯生物合成（单萜前体） | AmGDPS-SSU | 香叶基二磷酸合酶小亚基 | 催化 | 来自金鱼草，与ObGES共表达使单萜产量提高3倍以上 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 萜烯生物合成（倍半萜） | ShzFDPS | Z,Z-法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 来自野生番茄（Solanum habrochaites），与ShZIS共表达产生7-epi-律草烯 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 萜烯生物合成（倍半萜） | ShZIS | 7-epi-律草烯合酶 | 催化 | 来自野生番茄，与ShzFDPS共表达增强对害虫的抗性 |
| 柑橘 (Citrus sp.) | 萜烯生物合成（单萜） | CitMTSE1 | 柠檬烯合酶 | 催化 | 来自温州蜜柑，反义下调降低柠檬烯含量但增强抗病性及驱虫性 |
| 水稻/玉米 | 萜烯生物合成（倍半萜） | OsTPS3, OvEBCS | (E)-β-石竹烯合酶 | 催化 | 分别来自水稻和牛至，组成型表达释放该倍半萜并改善植物防御 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 脂肪酸衍生物（LOX途径） | SlADH2 | 醇脱氢酶2 | 催化 | 过表达改变短链醛/醇比例 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 脂肪酸衍生物（LOX途径） | SlscADH1 | 短链醇脱氢酶 | 催化 | 果实特异沉默导致C5/C6挥发物浓度升高 |
| 葡萄 (Vitis vinifera) | 脂肪酸衍生物/苯丙烷类 | VvADH2 | 醇脱氢酶2 | 催化 | 过表达和沉默对游离和结合态挥发物总体影响不大，但显著降低苯甲醇和2-苯乙醇 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 脂肪酸衍生物（LOX途径） | TomloxC | 脂氧合酶C | 催化 | 组成型过表达导致共抑制，减少己醛、(Z)-3-己烯醛等 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum) | 脂肪酸衍生物（LOX途径） | StLOX H1 | 脂氧合酶H1 | 催化 | 组成型过表达导致共抑制，降低C6醛类产量 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 脂肪酸代谢 | 酵母Δ9-脱饱和酶 | Δ9-脂酰辅酶A脱饱和酶 | 催化 | 来自酿酒酵母，过表达使短链醇醛含量提高2-3倍 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 脂肪酸代谢 | BnFAD3, StFAD7 | ω-3脂肪酸脱饱和酶 | 催化 | 来自欧洲油菜和马铃薯，提高亚麻酸/亚油酸比和(Z)-3-己烯醛/己醛比，增强耐冷性 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 氨基酸衍生物（苯丙氨酸代谢） | SlAADC1A, SlAADC1B | 芳香族氨基酸脱羧酶 | 催化 | 过表达使2-苯乙醛、2-苯乙醇和1-硝基-2-苯乙烷含量提高达10倍 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 苯丙烷类代谢 | PhODORANT1 | MYB转录因子 | 调控 | 来自矮牵牛，异源表达增加苯丙烷化合物但未增加苯丙氨酸来源的香气挥发物 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 水杨酸衍生物 | SlSAMT1 | 水杨酸羧基甲基转移酶 | 催化 | 过表达增加水杨酸甲酯并延迟细菌病害症状 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 酯类代谢 | SlCXE1 | 羧酸酯酶 | 催化 | RNAi沉默增加乙酸酯类产量 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa) | 苯丙烷/类黄酮代谢 | FaCHS | 查尔酮合酶 | 催化 | 反义下调以增加苯丙烷途径前体供给 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa) | 苯丙烷/苯丙烯类挥发物 | ObEGS | 丁子香酚合酶 | 催化 | 来自罗勒，与FaCHS下调组合使丁子香酚等含量大幅增加 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa) | 苯丙烷/苯丙烯类挥发物 | PhIGS | 异丁子香酚合酶 | 催化 | 来自矮牵牛，与FaCHS下调组合使异丁子香酚等含量大幅增加 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa) | 呋喃酮代谢 | FaOMT | O-甲基转移酶 | 催化 | 下调导致mesifurane几乎完全消失 |
| 苹果/猕猴桃 | 乙烯生物合成 | MdACS, MdACO, AcACO1 | ACC合酶/ACC氧化酶 | 催化 | 沉默降低乙烯合成、抑制酯类挥发物产生，果实变硬且货架期延长 |
| 甜瓜 (Cucumis melo) | 含硫氨基酸代谢 | CmMGL | L-蛋氨酸γ-裂解酶 | 催化 | 该基因表达与果实的常见含硫挥发物相关 |
| 桃 (Prunus persica) | 类胡萝卜素衍生物/降异戊二烯挥发物 | CCD4 | 类胡萝卜素裂解双加氧酶4 | 催化 | 在桃的类胡萝卜素和降异戊二烯挥发物代谢中起关键作用 |
关键发现
- 在番茄中表达香石竹S-芳樟醇合酶（CbLIS）可促进S-芳樟醇和8-羟基芳樟醇积累
- 草莓FaNES1在马铃薯/拟南芥中组成型过表达产生高水平S-芳樟醇并诱导蚜虫抗性，但强表达株系生长迟缓并生成大量非挥发性糖苷衍生物
- 沉默番茄SlCCD1A/1B使β-紫罗兰酮和香叶基丙酮含量下降但类胡萝卜素含量无显著变化
- 表达罗勒香叶醇合酶（GES）使番茄产生香叶醇、橙花醇、香茅醇等新萜烯，但果实颜色变浅
- 共表达金鱼草GDP合酶小亚基(AmGDPS-SSU)和罗勒GES使单萜产量比单独表达GES提高3倍以上
- 表达罗勒α-律草烯合酶(ZIS)使番茄积累高水平的α-律草烯等倍半萜
- 表达野生番茄7-epi-律草烯合酶(ShZIS)和法尼基二磷酸合酶(ShzFDPS)使栽培番茄产生7-epi-律草烯并增强抗虫性
- 柑橘反义下调柠檬烯合酶CitMTSE1减少柠檬烯积累但增强对真菌/细菌病原菌的抗性和驱虫效果
- 水稻OsTPS3和牛至OvEBCS在稻/玉米中表达产生(E)-β-石竹烯并改善防御
- 番茄过表达SlADH2改变短链醛醇平衡
- 番茄中RNAi沉默SlscADH1导致C5/C6 LOX途径挥发物积累增高
- 酵母Δ9-脱氢酶在番茄中过表达使短链醇醛含量提高2-3倍，(Z)-3-己烯醛等增加
- 表达ω-3脂肪酸脱饱和酶(BnFAD3/StFAD7)提高亚麻酸/亚油酸比和(Z)-3-己烯醛/己醛比，并增强耐冷性
- 黄瓜表达preprothaumatin II增加(E,Z)-2,6-壬二烯醛等挥发物和风味感知
- 番茄过表达SlAADC1A/1B使2-苯乙醛、2-苯乙醇、1-硝基-2-苯乙烷含量提高达10倍
- 番茄过表达SlSAMT1增加水杨酸甲酯并延迟细菌病害症状
- 沉默番茄酯酶SlCXE1增加乙酸酯类产量
- 草莓中下调FaCHS并同时过表达罗勒ObEGS或矮牵牛PhIGS使丁子香酚、异丁子香酚等含量提高至超过气味阈值数个数量级
- 草莓下调FaOMT导致mesifurane几乎完全消失
- 苹果和猕猴桃中沉默ACS/ACO基因降低乙烯合成并抑制酯类产生，果实硬度增加、货架期延长
- 甜瓜CmMGL与含硫挥发物生成相关
研究结论
代谢工程能够有效改变果实香气组成，但常因代谢通路的复杂互作产生非预期表型（如色泽损失、生长抑制）；分子育种（QTL标记辅助选择）是改善果实风味的可行替代/互补策略。未来需加深对挥发性物质生物合成调控机制的基础研究，综合多基因协同工程与育种手段实现香气精准改良