植物次生代謝途徑的遺傳操作

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯 植物次生代謝途徑的遺傳操作 王曉云 等/植物次生代謝途徑的遺傳操作 Chinese Journal of Biotechnology October 25, 2022, 28(10): 1151?1163 a61878ffec3a87c24028c48a/cjbcn ?2022 Chin J Biotech, All rights reserved Received : March 15, 2022; Accepted : May 4, 2022 Supported by : Research Foundation of Education Bureau

2、of Jiangxi Province (No. GJJ11542), National Project Application in the 12th Five-Year Period (No. 2022BAI04B01), Ph.D Programs Foundation of Jiangxi College of Traditional Chinese Medicine (No. 530046). Corresponding author : Shouwen Zhang. Tel: +86-791-87118994; E-mail: wtzswa61878ffec3a87c24028c4

3、8a 江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究工程 (No. GJJ11542)，國家十二五科技支撐計劃 (No. 2022BAI04B01)，江西中醫(yī)學(xué)院博士啟動基金課題 (No. 530046) 資助。 生物工程學(xué)報 植物次生代謝途徑的遺傳操作 王曉云1，夏循禮1，黃鳳蘭2，張壽文1 1 江西中醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院 江西省中藥種質(zhì)資源工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330004 2 內(nèi)蒙古民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028000 王曉云, 夏循禮, 黃鳳蘭, 等. 植物次生代謝途徑的遺傳操作. 生物工程學(xué)報, 2022, 28(10): 1151?1163. Wang XY, Xia XL, Huang F

4、L, et al. Genetic modification of secondary metabolite biosynthesis in higher plants: a review. Chin J Biotech, 2022, 28(10): 1151?1163. 摘 要: 植物次生代謝產(chǎn)物種類極其豐富，是人類的寶貴資源，這些產(chǎn)物及其合成途徑相關(guān)酶具有空間特異性分布的特征。植物次生代謝途徑的調(diào)控是個繁雜的過程，受代謝產(chǎn)物水平、多酶復(fù)合物相互作用等多種因素的影響。通過遺傳操作改造代謝過程，調(diào)控產(chǎn)物在植物體內(nèi)的含量，是一條切實可行和具有廣闊發(fā)展空間的途徑。目前，改造植物次生代謝途徑可以采取

5、單基因操作和多基因操作兩種策略進行。 關(guān)鍵詞: 次生代謝產(chǎn)物，途徑，調(diào)控，單基因操作，多基因操作 Genetic modification of secondary metabolite biosynthesis in higher plants: a review Xiaoyun Wang 1, Xunli Xia 1, Fenglan Huang 2, and Shouwen Zhang 1 1 Jiangxi College of Traditional Chinese Medicine , Chinese Medicine Germplasm Resource Engineering

6、Technology Research Center of Jiangxi Province , Nanchang 330004, Jiangxi , China 2 College of Life Science , Inner Mongolia University for the Nationalities , Tongliao 028000, Inner Mongolia , China Abstract: Plants provide an immense reservoir of natural secondary metabolites. Secondary metabolite

7、s and those involved enzymes accumulate in various compartments in specific plant tissues. The biosynthesis of perse groups of secondary metabolites is often complicated, tightly controlled via network interconnections, metabolite levels, metabolite channeling and multi-enzyme complexes, and so on.

8、Secondary metabolite profiles could be genetically altered by two 綜 述 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech October 25, 2022 Vol.28 No.10 a61878ffec3a87c24028c48a/cjbcn strategies, i.e. single gene modification and multiple gene modification; which thus has opened a feasible and prospective pla

9、tform for secondary chemicals production in plant. Keywords : secondary metabolite, biosynthesis, regulation, single gene manipulation, multiple gene manipulation 植物次生代謝產(chǎn)物由次生代謝途徑產(chǎn)生，是細(xì)胞生命活動正常運行時非必需的小分子有機化合物，種類繁多。它的分布尋常具有種屬、器官、組織和生長發(fā)育時期的特異性，是大量重要自然藥物的主要來源，有些對人類健康有益。植物次生代謝途徑是高度分支的途徑，組成結(jié)構(gòu)極其繁雜，受途徑互作、反饋抑制

10、、前饋激活和酶催化反應(yīng)等各種機制的調(diào)控，形成相互作用的代謝網(wǎng)絡(luò)。 植物次生代謝產(chǎn)物的合成和分解是動態(tài)的，代謝途徑構(gòu)成的空間網(wǎng)絡(luò)受到十分精準(zhǔn)的調(diào)控。1) 次生代謝產(chǎn)物和催化酶往往定位在特定的細(xì)胞器中。例如，現(xiàn)在認(rèn)為，與倍半萜、三萜、類胡蘿卜素、甾體和輔酶Q 等合成相關(guān)的甲羥戊酸 (Mevalonate ，MV A) 途徑主要在細(xì)胞質(zhì)和線粒體中進行，這一途徑可以合成異戊烯基焦磷酸 (Isopentenyl pyrophosphate ，IPP) 前體；而有些植物體內(nèi)還存在2-甲基-D-赤蘚糖醇-4-磷酸生物合成途徑 (2-methyl-D-erythritol 4-phosphate pathwa

11、y ，MEP pathway)，也可以產(chǎn)生IPP ，該途徑卻是在質(zhì)體中進行，它能夠合成IPP 的異構(gòu)體焦磷酸二甲基烯丙酯 (Dimethylallyl pyrophosphate ，DMAPP)，半萜、單萜、二萜和一些多萜就是通過MEP 途徑在質(zhì)體中合成的。這兩條途徑并非完全獨立，它們之間存在著代謝中間產(chǎn)物的交換，IPP 在異構(gòu)酶的作用下能夠轉(zhuǎn)變成DMAPP 。紫杉醇可能就是這兩條途徑的共同產(chǎn)物1。 2) 次生代謝途徑還具有多細(xì)胞區(qū)域化分布現(xiàn)象，即往往分布在特定的細(xì)胞類型內(nèi)。長春花Catharanthus roseus (Linn.) G. Don 是抗腫瘤藥物長春堿和長春新堿的生物來源，它含

12、有100多種具有重要藥用價值的單萜吲哚生物堿類化合物，所有這些化合物都是經(jīng)由中間產(chǎn)物3(S)-異胡豆苷合成的。色氨酸脫羧酶 (Tryptophan decarboxylase ，TDC) 和異胡豆苷合酶 (Strictosidine synthase ，STR1) 是合成3(S)-異胡豆苷的關(guān)鍵酶，這兩個酶基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物定位在葉片表皮、根尖頂端分生組織周邊的原表皮層和皮層細(xì)胞中2-3。3) 大多數(shù)次生代謝產(chǎn)物都積聚在植物特定器官或特別的組織結(jié)構(gòu)中，如分布在異形細(xì)胞、乳汁器、腺毛簇、分泌細(xì)胞等部位。例如，特化的腺體結(jié)構(gòu)是單萜類和黃酮類化合物產(chǎn)生的部位。合成長春堿的前體物質(zhì)是長春朵靈 (Vindo

13、line)，具有持久的降血糖作用，脫乙酰氧基文朵靈-4-羥化酶 (Desacetoxyvindoline 4-hydroxlyase ，D4H) 和脫乙酰文朵靈4-O-乙?；D(zhuǎn)移酶 (Deacetylvindoline 4-O-acetyltransferase ，DAT) 是長春朵靈生物合成途徑中的關(guān)鍵酶，這兩個酶基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物定位在發(fā)育葉片的乳汁器和異形細(xì)胞內(nèi)2-3。 多數(shù)次生代謝產(chǎn)物在植物中的含量低于干重的14，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足需要。人們采取多種策略提高它們的含量。植物細(xì)胞或組織培養(yǎng)是提高次生代謝產(chǎn)物含量的主要手段之一，采用該手段時往往需要進行前體飼喂，并篩選高產(chǎn)細(xì)胞系。需要特別注意的是，由

14、于植物次生代謝途徑 王曉云 等/植物次生代謝途徑的遺傳操作 cjba61878ffec3a87c24028c48a 各步驟的催化酶和代謝物特異地分布在特定器官、組織、細(xì)胞類型和細(xì)胞器內(nèi)，進行細(xì)胞或組織培養(yǎng)時務(wù)必采用特定的細(xì)胞類型為材料，否則無法獲得高產(chǎn)量的目的代謝產(chǎn)物，在培養(yǎng)物中也難以檢測到合成途徑的關(guān)鍵酶5。 對植物次生代謝途徑進行遺傳操作，是提高次生代謝產(chǎn)物含量最有效的一個手段，具有廣闊的發(fā)展空間。遺傳操作建立在對植物次生代謝途徑有一定了解的基礎(chǔ)之上，相關(guān)知識包括整個途徑的組成步驟；催化各步反應(yīng)的酶及其編碼基因；調(diào)控因子及其編碼基因；酶、調(diào)控因子、中間代謝物和終產(chǎn)物的組織定位和細(xì)胞器定位；

15、終產(chǎn)物和中間代謝物的流向；途徑中的能量流等。植物細(xì)胞培養(yǎng)體系的建立，顯著提高了培養(yǎng)物中的酶含量，極大地改善了酶的檢測和純化手段。這些手段反過來被應(yīng)用于原植物，鑒定了大量代謝途徑相關(guān)酶。分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動著人們克隆了大量次生代謝途徑的相關(guān)基因，使得從基因水平對代謝途徑進行遺傳操作成為可能。 目前，對植物次生代謝途徑進行遺傳操作，提高代謝產(chǎn)物含量時，尋常采取以下策略。 1 針對單個基因進行遺傳操作 1.1 轉(zhuǎn)化限速酶基因 轉(zhuǎn)化次生代謝產(chǎn)物合成途徑中的一個限速酶基因，戰(zhàn)勝限速步驟的影響，提高次生代謝產(chǎn)物在植物中的含量。這部分研究較多，最早的報道是Yun 等將來源于天仙子Hyoscyamus n

16、iger Linn.的天仙子胺6-羥化酶 (Hyoscyamine 6- hydroxylase ，H6H) 基因轉(zhuǎn)化到顛茄Atropa belladonna Linn.中，提高顛茄中東莨菪堿的含量6。以后，越來越多代謝途徑的限速步驟和限 速酶被鑒定，如萜類合成途徑中的萜類合酶 (Terpenoid synthase ，TS)，吲哚生物堿合成途徑中的異胡豆苷合酶 (Strictosidine synthase ，STR)，莽草酸途徑中的苯丙氨酸脫氨酶 (Phenylalanine ammonia lyase ，PAL)，青蒿素合成途徑中的紫穗槐二烯合酶 (Amorpha-4,11-diene

17、synthase ，ADS) 等，并克隆了它們的編碼基因，利用轉(zhuǎn)化限速酶基因提高次生代謝產(chǎn)物含量的報道也越來越多7-8。反義抑制9、共抑制10或RNA 干擾技術(shù)11-12也漸漸用于抑制或關(guān)閉競爭性分支代謝途徑，從而提高目標(biāo)代謝物的含量；有時也用于抑制不利代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生13-14。 1.2 轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)錄因子基因 提高原植物中轉(zhuǎn)錄因子的豐度，或引入外源轉(zhuǎn)錄因子，對代謝途徑相關(guān)酶基因的表達進行調(diào)控，從而提高目標(biāo)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量15。長春花C. roseus 中合成的多種萜類吲哚生物堿 (Terpenoid indole alkaloids ，TIAs) 是重要的自然抗癌化合物。這些萜類吲哚生物堿的合成途徑受多個轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，包括ORCA3轉(zhuǎn)錄因子、CrWRKY1轉(zhuǎn)錄因子和AtMYC2轉(zhuǎn)錄因子等。超表達這些轉(zhuǎn)錄因子，可以增加合成途徑中相