Metabolic engineering of terpene metabolism in lavender

解决的核心问题

如何通过代谢工程提高薰衣草精油（主要含单萜）的产量和品质，并在微生物中异源合成薰衣草单萜成分。

研究策略

系统综述薰衣草单萜生物合成基因的克隆与功能表征，以及通过植物和微生物代谢工程（如过表达MEP/MVA途径基因、引入萜类合酶、蛋白融合、支架、区室化等策略）提高单萜产量的研究进展。

研究路线图

100%

核心内容

该综述系统梳理了薰衣草单萜生物合成基因的克隆与功能表征，并重点总结了在微生物和植物中通过代谢工程提升单萜产量的策略。在微生物宿主方面，研究者将薰衣草萜类合酶异源表达于大肠杆菌、酵母和蓝藻，采用蛋白融合、支架、区室化、前体供给强化等手段。例如，LINS与ERG20融合蛋白使酵母芳樟醇产量较游离酶提高69.7%；在大肠杆菌中，通过改造bLIS、增强GPP供给和补料分批发酵，芳樟醇产量最高达1027.3 mg/L；1,8-桉叶素通过双质粒系统和优化从228 mg/L提升至505 mg/L。蓝藻中表达密码子优化的LINS，S-芳樟醇产量为11.4 mg/L。在植物方面，过表达DXS可显著增加穗薰衣草精油，但组成型过表达萜类合酶常因非腺毛细胞无法耐受大量单萜而对植株有害。因此，未来应利用腺毛特异启动子实现转基因组化表达，从而在提高精油产量与品质的同时，将薰衣草开发为生产高价值植物化学品的生物反应器。

创新点

综述了将薰衣草萜类合成酶异源表达于大肠杆菌、酵母和蓝藻的多种代谢工程策略，总结了不同策略对单萜产量的具体提升效果，并提出利用腺毛特异启动子实现特异表达以避免组成型过表达伤害植物的未来方向。

研究对象（31）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
E. coli	单萜生物合成（MEP途径下游）	LaLIMS	Limonene synthase	催化	重组LaLIMS产生柠檬烯、萜品油烯、莰烯、α-蒎烯、β-月桂烯和微量α-水芹烯
E. coli	单萜生物合成	LaLINS	Linalool synthase	催化	专一产生(R)-(-)-芳樟醇
E. coli	倍半萜生物合成	LaBERS	Bergamotene synthase	催化	将FPP转化为bergamotene
E. coli	单萜生物合成	LaβPHLS	β-Phellandrene synthase	催化	以GPP和NPP为底物产生β-水芹烯
E. coli	单萜生物合成	LiCINS	1,8-Cineole synthase	催化	蛋白约63 kDa，转化GPP产生1,8-桉叶素
E. coli	单萜生物合成（不规则单萜）	LiLPPS	Lavandulyl diphosphate synthase	催化	约34.5 kDa，催化两分子DMAPP头-中缩合生成LPP
E. coli	单萜生物合成（龙脑/樟脑）	LiBDH	Borneol dehydrogenase	催化	转化龙脑为樟脑
E. coli	倍半萜生物合成	LiCPS	Caryophyllene synthase	催化	转化FPP产生9-表石竹烯
E. coli	单萜生物合成（酯化）	LiAAT-3/LiAAT-4	Alcohol acetyltransferase	催化	催化薰衣草醇乙酰化形成薰衣草乙酸酯
Lavandula pedunculata	单萜生物合成	LpFENS	Fenchol synthase	催化	基因表达与产物积累一致
Lavandula pedunculata	单萜生物合成	LpPINS	α-Pinene synthase	催化	基因表达与产物积累一致
Lavandula pedunculata	倍半萜生物合成	LpGEAS	Germacrene A synthase	催化	基因表达与产物积累不一致
E. coli	单萜生物合成	Li3CARS	3-Carene synthase	催化	转化GPP主要产生3-蒈烯
E. coli	单萜生物合成	LiS-LINS	S-Linalool synthase	催化	专一产生S-芳樟醇
E. coli / Nicotiana benthamiana	单萜/倍半萜生物合成	LaTPS7	Terpene synthase 7	催化	体外产生9种产物（包括莰烯、月桂烯、柠檬烯），烟草中产生柠檬烯
E. coli / Nicotiana benthamiana	单萜/倍半萜生物合成	LaTPS8	Terpene synthase 8	催化	以GPP和NPP产生8种挥发物，烟草中产生α-蒎烯和sylvestrene
Arabidopsis thaliana	花发育调控	LaSVP	Short vegetative phase protein	调控	表达延迟开花，影响花器官产生萼片代替花瓣
Arabidopsis thaliana	花发育调控	LaAG-like	AGAMOUS-like protein	调控	过表达促进早花
Arabidopsis thaliana	花发育调控	LaSEP3-like	SEPALLATA3-like protein	调控	过表达促进早花，过量表达导致叶片卷曲
Arabidopsis thaliana / Nicotiana benthamiana	萜类生物合成调控	LaMYC4	MYC4 transcription factor	调控	过表达提高石竹烯等倍半萜含量
Lavandula latifolia	MEP途径	DXS	1-Deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase	催化	来自A. thaliana的DXS过表达显著提高精油产量
Saccharomyces cerevisiae	MVA途径/单萜生物合成	ERG20	Farnesyl diphosphate synthase	催化	与LINS融合后效率提高69.7%，后续引入ERG20F96W-N127W突变增强
Saccharomyces cerevisiae	MVA途径/单萜生物合成	LINS	Linalool synthase	催化	来源包括Actinidia arguta、Mentha citrata、Cinnamomum osmophloeum
Saccharomyces cerevisiae	MVA途径	MVA pathway genes	Mevalonate pathway enzymes	催化	过表达完整MVA途径提高前体供给
Rhodotorula toruloides	MEP途径/单萜生物合成	GPPS (Abies grandis), CINS (Hypoxylon sp.)	Geranyl diphosphate synthase, 1,8-Cineole synthase	催化	N端截短GPPS与CINS共表达，显著提高1,8-桉叶素产量
Saccharomyces cerevisiae	MVA途径/单萜生物合成	BPPS	Bornyl diphosphate synthase	催化	来自Cinnamomum burmanni产生(+)-冰片，来自Blumea balsamifera经截短和Kozak优化增强生产
E. coli	MVA途径/单萜生物合成	IPPS, GPPS, LINS	IPP synthase, GPP synthase, Linalool synthase	催化	利用支架策略（1:1:4结构域重复）提高芳樟醇产量
E. coli	MVA途径/单萜生物合成	bLIS	Linalool synthase (from Streptomyces clavuligerus)	催化	通过RBS/TIR优化和融合标签提高溶解度，结合GPP供给和补料发酵最高达1027.3 mg/L
E. coli	MVA途径/单萜生物合成	CINS	1,8-Cineole synthase (from Streptomyces clavuligerus)	催化	双质粒系统使1,8-桉叶素产量达505 mg/L
Synechocystis sp. PCC6803	单萜生物合成	LINS	Linalool synthase (from Actinidia arguta)	催化	密码子优化后S-芳樟醇产量11.4 mg/L，共表达突变FPP合酶后11.6 mg/L
Synechococcus elongatus	单萜生物合成	CINS	1,8-Cineole synthase (from Streptomyces clavuligerus)	催化	IPTG诱导启动子控制，实现光合自养生产1,8-桉叶素

关键发现

['LINS与ERG20融合蛋白使酵母中的芳樟醇产量比游离酶提高69.7%。', '在酵母线粒体和细胞质双MVA途径中表达LINS（来自Cinnamomum osmophloeum）和ERG20F96W-N127W，芳樟醇产量达7.61 mg/L
添加70 mg/L mevalonolactone时产量最高。', '在大肠杆菌中构建异源MVA途径生产芳樟醇，初始产量15±1.4 mg/L，过表达IPP异构酶后增至63±5.6 mg/L
通过bLIS改造、GPP供给增强和补料分批发酵，最高达1027.3 mg/L。', '在大肠杆菌中表达1,8-桉叶素合酶，通过双质粒系统使产量从228 mg/L提高至305 mg/L，随后优化达到505 mg/L。', '在红冬孢酵母（Rhodotorula toruloides）中利用N端截短的GPPS（来自Abies grandis）和CINS（来自Hypoxylon sp.）显著提高1,8-桉叶素产量。', '在蓝藻集胞藻PCC6803中表达密码子优化的LINS，S-芳樟醇产量为11.4 mg/L，共表达突变FPP合酶后达11.6 mg/L。', '在大肠杆菌中利用支架策略生产芳樟醇，1个IPPS、1个GPPS、4个LINS结构域的支架产量最高。', '过表达DXS的穗薰衣草（L. latifolia）转基因植株精油显著增加。', 'LiBPPS反义表达降低薰衣草中冰片和樟脑含量，正义表达提高含量但影响植物生长。', 'LaMYC4过表达提高了拟南芥和烟草中石竹烯等倍半萜含量。']

研究结论

大多数薰衣草精油单萜合酶基因已被克隆并功能表征，并已成功在细菌、酵母和模式植物中实现相应单萜的生产。然而，在薰衣草中组成型过表达萜类合酶基因常对植物有害，因为非腺毛细胞无法耐受大量单萜。未来利用腺毛特异启动子将转基因组化到腺毛中，可提高精油质量与产量，并使薰衣草成为生产高价值植物化学品的生物反应器。