Strategies for the production of biochemicals in bioenergy crops

解决的核心问题

如何利用生物能源作物作为绿色工厂，通过代谢工程积累高价值生化产品，以部分替代石油基化学品并提高生物质炼制经济性

研究策略

综述代谢工程策略，重点聚焦莽草酸途径和异戊二烯途径，包括异源表达细菌酶、靶向质体、上调限速酶、反馈抑制解除、共表达多基因等

研究路线图

100%

核心内容

该综述聚焦于通过代谢工程改造生物能源作物，使其作为“绿色工厂”在生物质中积累高价值莽草酸和异戊二烯途径衍生物，以部分替代石油基化学品并提升木质纤维素生物炼制的经济性。作者系统总结了多种策略，包括异源表达细菌酶、靶向质体定位、上调限速酶、解除反馈抑制以及多基因共表达等。关键结果展示了显著成效：在甘蔗中表达HCHL，4-HBA葡萄糖苷积累量达到叶干重的7.3%；在杂交杨中表达LtCAAT和LtAPS，丁子香酚葡萄糖苷含量约为干重的0.4%；大肠杆菌来源的AroG*使拟南芥酪氨酸增加约20倍，甜菜ADHα则使酪氨酸增加约100倍；表达BCCP-tHMGR的烟草中C15倍半萜增加20至40倍。这些结果意味着，通过工程化改造在生物能源作物中积累共产品，不仅能提高生物质可降解性，还能创造额外经济价值，为可持续生物炼制提供了可行路径。未来需进一步优化策略、评估田间表现并开发集成提取工艺。

创新点

系统总结了在植物中利用非植物来源酶合成莽草酸和异戊二烯衍生物的方法；提出将工程代谢通路与生物炼制整合的概念；强调通过积累共产品改善木质纤维素生物炼制可行性

研究对象（17）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
甘蔗	莽草酸途径/苯丙烷途径	HCHL	hydroxycinnamoyl-CoA hydratase-lyase	催化	来自植物，将p-香豆酰-CoA转化为4-羟基苯甲醛，进而氧化为4-HBA；表达后叶中4-HBA葡萄糖苷达7.3%干重
甘蔗	莽草酸途径	UbiC	chorismate pyruvate-lyase	催化	来自大肠杆菌，靶向叶绿体，将分支酸转化为4-HBA；表达后4-HBA葡萄糖苷达1.5%干重
拟南芥	莽草酸途径/SA途径	AroG*, Irp9, NahG, CatA	DAHP synthase, salicylate synthase, salicylate hydroxylase, catechol 1,2-dioxygenase	催化	共表达细菌酶，将SA转化为己二烯二酸（粘康酸）
烟草	莽草酸途径	PobA	4-hydroxybenzoate 3-monooxygenase	催化	来自铜绿假单胞菌，突变体可将4-HBA转化为没食子酸
烟草	莽草酸途径	QsuB	3-dehydroshikimate dehydratase	催化	来自谷氨酸棒杆菌，将3-脱氢莽草酸转化为原儿茶酸；转基因烟草中可提取原儿茶酸并用于微生物转化
杂交杨	莽草酸途径/苯丙烷途径	PAR, PAAS	phenylacetaldehyde reductase, phenylacetaldehyde synthase	催化	来自番茄和玫瑰，共表达后叶片中2-PE超过3.5%干重，以葡萄糖苷形式积累
杂种杨	苯丙烷途径	PhCAAT, PhEGS	coniferyl alcohol acetyl-CoA transferase, eugenol synthase	催化	来自矮牵牛，表达PhCAAT产生丁子香酚>80 μg/g鲜重；共表达PhEGS未进一步提高
杂交杨	苯丙烷途径	LtCAAT, LtAPS	coniferyl alcohol acetyl-CoA transferase, eugenol synthase	催化	来自三齿拉雷亚灌木，共表达产生丁子香酚葡萄糖苷约0.4%干重
拟南芥	莽草酸途径/酪氨酸合成	AroG*	3-deoxy-D-arabino-heptulosonate 7-phosphate synthase	催化	来自大肠杆菌，反馈不敏感突变体，使酪氨酸增加约20倍
拟南芥	莽草酸途径/酪氨酸合成	ADHα	arogenate dehydrogenase alpha	催化	来自甜菜，对酪氨酸反馈抑制不敏感，使酪氨酸积累增加约100倍
玉米	苯丙烷途径/木质素修饰	PMT	p-coumaroyl-CoA:monolignol transferase	催化	过表达玉米PMT使木质素结合型pCA增加约40%，碱处理可释放
拟南芥	萜类/类胡萝卜素	CrBKT	β-carotene ketolase	催化	来自藻类，过表达后叶片积累虾青素达2 mg/g干重
烟草	MVA途径	BCCP, t-HMGR	biotin carboxyl carrier protein, truncated HMG-CoA reductase	催化	BCCP与截短HMGR通过2A肽连接，使C15倍半萜增加20-40倍，β-香树脂醇增加6倍
水稻	莽草酸途径/色氨酸合成	OASA1D	anthranilate synthase alpha-subunit	催化	来自水稻，反馈不敏感突变，使色氨酸积累增加35倍
拟南芥	莽草酸途径/色氨酸合成	AroG*	DAHP synthase	催化	来自大肠杆菌，反馈不敏感，使色氨酸增加约2.5倍
烟草	色氨酸代谢/靛苷合成	BX1, CYP2A6	indole synthase, cytochrome P450 monooxygenase	催化	来自玉米和人，BX1产生吲哚，CYP2A6羟化为吲哚酚，内源糖基转移酶生成靛苷
烟草	色氨酸代谢/靛苷合成	TnaA, CYP2A6	tryptophanase, cytochrome P450 monooxygenase	催化	来自大肠杆菌和人类，瞬时表达产生靛苷

关键发现

在甘蔗中表达HCHL产生4-HBA葡萄糖苷达7.3%叶干重和1.5%茎干重
表达UbiC为1.5%
杨树共表达PAR和PAAS产生2-PE超过3.5%叶片干重
表达PhCAAT的杂种杨产生丁子香酚>80 μg/g鲜重
共表达LtCAAT和LtAPS在杂交杨中产生约0.4%干重丁子香酚葡萄糖苷
大肠杆菌AroG*使拟南芥酪氨酸增加约20倍，甜菜ADHα使酪氨酸增加约100倍
玉米PMT过表达使木质素结合型pCA增加约40%
表达CrBKT的拟南芥积累虾青素达2 mg/g干重
烟草中BCCP-tHMGR使C15倍半萜增加20-40倍、β-香树脂醇增加6倍
水稻OASA1D使色氨酸积累增加35倍
拟南芥AroG*使色氨酸增加约2.5倍
表达TnaA和CYP2A6在烟草中产生靛苷

研究结论

通过代谢工程改造生物能源作物，在生物质中积累莽草酸和异戊二烯来源的生化产品，可同时提高生物质可降解性和产生高价值共产品，为可持续木质纤维素生物炼制提供经济可行性；未来需进一步优化工程策略、评估田间性能并开发集成提取工艺