全 文 ：综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010年第 12期
植物挥发物代谢工程在改良香气品质和
植物防御中的应用
马波
(滨州学院生命科学系,滨州 256603)
摘 要: 挥发物次生代谢在植物繁殖、植物防御和改良食物品质方面发挥着重要作用。近年来, 随着参与挥发物生物
合成的基因和酶类的鉴定以及代谢途径和调控机理等研究的不断发展和深入, 挥发物代谢工程已经具备较高的可行性。应
用代谢工程改良花、果实的香气品质以及提高植物防御能力的研究成效显著。主要介绍了这些方面的最新进展,同时也讨论
了植物挥发物代谢工程应用存在的问题和挑战以及研究思路。
关键词: 植物挥发物 代谢工程 植物改良 香气品质 植物防御
Research Advance in Improvement of AromaQuality and
Plant Defense viaM etabolic Engineering
Ma Bo
(D epartm ent of L ife Science, Binzhou University, Binzhou 256603)
Abstrac:t Vo latile secondary m etabo lites play an im portant ro le in the reproduction, defense and food qua lity o f p lant. Recent ad
vances in the identifica tion o f the genes and enzym es responsible fo r the b iosynthesis of vo la tile compounds havem ade me tabo lic eng i
neering h ighly feasible. Notable successes have been repo rted in enhanc ing p lant de fenses and improv ing scent and arom a qua lity of
flow ers and fruits. These studies also revea led cha llenges and lim itations wh ich wou ld be like ly surm ounted as unde rstanding of plant
vo latile ne tw ork.
Key words: P lant vo latile M etabo lic eng ineer ing P lant improvem en t A rom a quality P lant de fense
收稿日期: 20100202
基金项目:滨州学院科研基金项目 ( BZXYLG200709 )
作者简介:马波,男,硕士,助教,研究方向:植物生理及化学生态学; Em ai:l z ju_m arp le@ 163. com
在自然界, 由植物合成和释放的低分子量次生
代谢产物已知超过 10万种,其中超过 1%是亲脂分
子,具有常温下低沸点、高蒸汽压、易挥发等特点,被
称为植物挥发性次生代谢化合物,简称植物挥发物。
这些物质来自植物的叶、花、果实和根等部位, 主要
包括萜类、苯丙脂类、苯型烃类、脂肪酸衍生物和一
些含氮、硫化合物 [ 1 ] , 其基本功能为促使植物防御
植食动物和寄生生物, 吸引传粉和播种动物及其它
有益动物和微生物,并作为植物间联系的传递信号。
同时, 它们还会影响植物的农艺性状和其它经济性
状,诸如产量和食物品质。因此,通过基因工程等代
谢工程对植物挥发物进行调控具有重要的经济和社
会价值。
过去 10年中,随着对植物挥发物研究的不断发
展和深入,挥发物质数量和种类的发现和鉴定工作
进展迅速,大量参与挥发物合成和代谢的基因和酶
类被发现 (表 1)。目前关于植物挥发物代谢工程的
应用研究基本集中在调控挥发物图谱方面, 涉及代
谢工程促进植物的直接或间接防御以及改良花或果
实的香气品质等内容 [ 2, 3]。
1 植物挥发物的合成途径和代谢工程
目前, 关于植物挥发性物质的合成途径以及代
谢工程策略的研究较为深入。同时, 国内已有多位
学者对其进行综述 [ 1, 4- 6 ]。
2010年第 12期 马波:植物挥发物代谢工程在改良香气品质和植物防御中的应用
表 1 参与挥发物代谢工程的相关基因
基因 来源 受体植物 挥发物图谱的变化 (含量变化 ) 参考文献
柠檬烯合成酶
紫苏
Perilla f rutescens
烟草 柠檬烯:升高 [ 25]
烟草激素受体 无变化 [ 25]
留兰香
M en tha sp ica ta
薄荷 无变化 [ 36]
柠檬
C itrus lim on
烟草 萜品烯升高,柠檬烯升高, 蒎烯升高,它们的副产物升高 [ 8]
萜品烯合成酶 柠檬
C itrus lim on
烟草 萜品烯升高,柠檬烯升高, 蒎烯升高,它们的副产物升高 [ 8]
蒎烯合成酶 柠檬
C itrus lim on
烟草 萜品烯升高,柠檬烯升高, 蒎烯升高,它们的副产物升高 [ 8]
萜烯合成酶 TPS10 玉米
Z ea mays
拟南芥胞质 ( E ) 香柑油烯升高, ( E) 法尼烯升高,其它的虫害诱导倍半萜类升高 [ 35]
大= 牛儿烯 A合成酶 菊苣
C ichorium intybus
拟南芥胞质 大= 牛儿烯 A升高 [ 17]
柠檬烯 3羟化酶 胡椒薄荷
M en tha piperita
胡椒薄荷 柠檬烯升高, 薄荷酮下降,异薄荷酮: 下降薄荷醇下降,薄荷呋喃下降, [ 25]
留兰香
M en tha sp ica ta
烟草 ( + ) 反 异薄荷二烯醇升高,它的衍生物升高 [ 37]
薄荷呋喃合成酶 胡椒薄荷
M en tha p iperita 胡椒薄荷 薄荷呋喃下降,薄荷醇升高,蒲勒酮下降 [ 24]
苯乙醛合成酶 ( PAAS ) 矮牵牛
P etun ia hybrida
牵牛 苯乙醛下降, 2苯乙醇下降 [ 14]
苯甲醇 /苯乙醇苯酰
基转移酶 ( BPBT)
矮牵牛
P etun ia hybrida
牵牛 苯甲酸苄酯: 下降,苯甲酸苯乙酯下降,苯甲醇升高, 苯甲醛升高 [ 15]
松柏醇乙酰基
转移酶 ( CFAT )
矮牵牛
P etun ia hybrida
牵牛 异丁子香酚下降 [ 16]
ODO1
ODORANT1
矮牵牛
P etun ia hybrida
牵牛 挥发性苯型烃类化合物下降 [ 38]
2苯乙醛还原酶 ( PAR)
番茄
S olanum lycopersi
cum
牵牛 2苯乙醇升高,苯乙醛下降 [ 39]
醇类乙酰基转移酶 ( AAT )
现代月季
Rosa hybrida
牵牛 乙酸苯甲酯升高,乙酸苯乙酯升高 [ 40]
草莓 Fragaria
ananassa
牵牛 无变化 [ 41]
乙酰辅酶 A9脱氢酶
酿酒酵母
Sa ccharomyces
cerevisia e
烟草 叶醛升高,反 2, 4己二烯醛升高 [ 37]
番茄 叶醇升高, 1己醇升高,己醛 h exan a:l升高,叶醛升高,甲基庚烯酮升高, 2异丁基噻唑升高 [ 20]
17
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 12期
续表
基因 来源 受体植物 挥发物图谱的变化 (含量变化 ) 参考文献
乙酰辅酶 A11脱氢酶 粉纹夜蛾
Trichop lu sia n i
烟草 叶醛升高,反 2, 4己二烯醛升高 [ 37]
葡糖苷酶 黑曲霉
Asperg illu snig er
烟草
2乙基己醇升高, 丁香醇升高, 西柏烯升高, 芳樟醇升
高,橙叔花醇升高,顺 氧化芳樟醇升高, 4甲基 1戊醇升
高, 6甲基5庚烯 2醇升高
[ 42]
脂氧合酶 ( LOX) 番茄
Solanum lycopersicum
番茄 己醛下降,乙烯醛:下降,己烯醇:下降 [ 43]
LOX (N aLOX3 )
烟草
N icotiana a ttenua ta
烟草 创伤诱导的绿叶挥发物含量无变化 [ 44]
LOX ( LOXH1 )
马铃薯
S olanum tuberosum
马铃薯 己醛下降, ( E )2己烯醛下降,己醇下降, ( Z) 3己烯醇下降, ( E )2己烯醇下降 [ 34]
氢过氧化物裂解酶 (H PL) 马铃薯
S olanum tuberosum
马铃薯 己醛下降, 3乙烯醛下降, 5碳挥发物升高 [ 38]
烟草
N icotiana at tenuata
烟草 绿叶挥发物下降 [ 35]
拟南芥
Arabid opsi s tha liana
拟南芥 ( E ) 2己烯醇下降,乙酸己酯:下降, 5碳挥发物升高 [ 36]
苯甲酸 /水杨酸羧
基转甲基酶 ( BSMT)
矮牵牛
P etun ia hybrida
牵牛 苯甲酸甲酯下降 [ 13]
L芳香族氨基
酸脱羧酶 ( AADC)
番茄
Solanum lycopersicum
番茄 苯乙醛升高, 2苯乙醇升高, 1硝基 2乙苯升高 [ 37]
醇类脱氢酶 ( ADH ) 番茄 Solanum
lycopersicum
番茄 己醇升高, ( Z) 3己烯醇升高 [ 21]
苯甲醇乙酰基
转移酶 ( BEAT)
仙女扇
C larkia brew eri
洋桔梗 无变化 [ 10]
类胡萝卜素裂解
双加氧酶 ( CCD)
番茄
Solanum lycopersicum
番茄 紫罗酮下降,假紫罗酮下降,香叶基丙酮下降 [ 44]
牵牛 紫罗酮下降 [ 42]
芳樟醇合成酶 仙女扇
C larkia brew eri
番茄 ( S ) 芳樟醇升高, 8羟基芳樟醇升高 [ 22]
矮牵牛 芳樟醇葡萄糖甙升高 [ 11]
康乃馨 ( S ) 芳樟醇升高,氧化芳樟醇升高 [ 12]
丙二烯氧化合酶 ( AOS) 烟草
N icotiana a ttenuata
烟草 绿叶挥发物:下降,创伤诱导的 ( Z) 3己烯醛升高 [ 35]
香叶醇合成酶 罗勒
Ocimum basilicum
烟草 香叶醇:升高,它的衍生物升高 [ 23]
薄荷醇合成酶 藿香
Pog ostem on cablin
烟草 薄荷醇升高, 13倍半萜类升高 [ 36]
芳樟醇 /橙叔花醇合成酶 草莓
Fragaria ananassa
拟南芥 ( S ) 芳樟醇升高,橙叔花醇升高羟基糖化芳樟醇升高, [ 27]
马铃薯 芳樟醇升高,羟基糖化芳樟醇升高 [ 39]
拟南芥 ( 3S ) ( E ) 橙叔花醇升高, ( E )DMNT升高 [ 34]
18
2010年第 12期 马波:植物挥发物代谢工程在改良香气品质和植物防御中的应用
1. 1 植物挥发物的合成途径
目前研究较为深入的植物释放的挥发性物质有
三大类:萜类、苯型烃 /苯丙脂类和脂肪酸衍生物。
萜类物质的合成途径主要有两条:甲羟戊酸 (MVA )
途径和 2C甲基D赤藓糖醇4磷酸 ( M EP )途
径 [ 4] ;苯型烃 /苯丙脂类物质主要由肉桂酸途径合
成 [ 1, 5] ;脂肪酸衍生物主要通过脂肪酸代谢途径合
成,如 氧化、氧化、氧化和脂氧合酶 ( LOX)途
径等 [ 5, 6]。
1. 2 植物挥发物代谢工程策略
根据目前的研究, 植物挥发物代谢工程的策略
主要包含以下几方面内容: ( 1)引入外源基因, 即在
已有代谢途径的基础上引入受体植物没有的外源基
因; ( 2)调控内源基因的表达,包括对代谢途径的上
游或者下游进行调控从而增加物质的合成, 或通过
阻断来自相同前体的其它物质的合成从而增加挥发
性物质的生成; ( 3)合成酶基因的分子克隆; ( 4)引
入外源转录因子 [ 1, 5]。
2 挥发物代谢工程在改善花朵香气方面的
应用
目前关于花香挥发物的代谢工程研究多数集中
在人类消费层面上 [ 7]。例如,引入 3个柑橘倍半萜
合成酶基因的转基因烟草花和叶比非转基因烟草释
放更高含量的挥发性物质, 这种变化可以被人的嗅
觉所感知 [ 8]。另外, Zuke等 [ 9]研究发现调控转基因
康乃馨中花青素代谢途径到苯甲酸途径的代谢流导
向能够大量增加甲基苯甲酸产物的合成量。但是,
综合现有研究成果, 多数应用挥发物代谢工程调控
花香的研究不理想, 其原因主要有缺乏合适的反应
底物 [ 10] , 花香成分被转化为非挥发性状态 [ 11] , 释放
的挥发物达不到能被人的鼻子检测到的水平以及引
入的外源挥发物组分被其它挥发物屏蔽等 [ 12]。
除增加或提高花香挥发物组分外,通过代谢工程
消除花朵中某些挥发物组分也是一种调节花香的方
法。例如,通过 RNA i介导的转录后基因沉默 ( postt
ranscript iona l gene silenc ing)可以获得不释放甲基苯
甲酸 [ 13]、苯乙醛 [ 14]、苯甲酸苄酯和苯甲酸苯乙
酯 [ 15]以及异丁子香酚 [ 16]等挥发成分的转基因矮牵
牛。除甲基苯甲酸外, 这些组分的变化和缺失对人
类感知的影响尚未报道。当甲基苯甲酸释放量大幅
下降或者缺失时, 人会因为香味的改变而对花产生
消极反应 [ 13]。
在自然界中, 花香除对人类的审美和健康产生
影响外,更重要的作用是帮助植物吸引传粉昆虫、抵
制草食动物以及影响植物的生殖过程等 [ 5]。目前,
关于影响昆虫行为的植物挥发物的代谢工程研究多
集中在植物营养器官和组织, 而对花香的研究未见
报道,这是今后植物挥发物代谢工程研究的一个重
要发展方向。
3 应用挥发物代谢工程改良植物果实和营
养组织香气品质
自然界中,通过增强果实对其它生物的吸引力,
挥发物有助于植物种子的传播。对于某些大多数植
食者厌恶取食的植物来说, 可以通过植株的某些部
位释放一定的挥发物引诱特定动物来取食, 以达到
播种的目的。
同时, 挥发物是决定果实和其它食用器官总体
香味和口感的重要因素。但长久以来,传统的粗放
型植物育种往往只侧重食物的某些特定品质, 如总
产量 (总体积 )、总干物质、总含糖量或者是着色程
度等,而忽视改善或保持植物挥发物质特性,导致现
在很多栽培植物品种所产生的挥发物总量远低于其
野生亲缘种或早期栽培种 [ 17]。
香气挥发物的重新引入和恢复可以通过传统育
种实现,例如, 把栽培番茄与其亲缘种 L. peruvianum
进行杂交 [ 18]。不过对于传统育种来说,这是一个需
要应对各种复杂状况的相当费时费力的过程。例
如, 前期的挥发物采集和分析需要昂贵的 GCMS等
相关仪器;后期的气味感觉评价由测试小组完成,存
在较大的主观性, 因为人类侦测和鉴别特定挥发物
的能力存在种间差异,同时缺乏共同词汇来描述特
定的气味。因此在传统育种领域, 上述因素导致着
重香气生产与合成的育种计划被严重忽视。
代谢工程可以减少或弥补传统育种的一些缺
点。其优点之一是每次可只引入一种单一特性和性
状,二是可引入现有栽培品系没有的编码基因。但
代谢工程的应用在生化层面上出现的诸多问题和不
足近期也有报道 [ 19 ]。其中有两点值得关注: 第一,
如果目标挥发物的合成是一个复杂的代谢过程, 导
入某一单一的基因不一定导致该挥发物的大量生
19
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 12期
产;第二,某一单一新合成挥发物不大可能改变消费
者对产品香味和香气品质的总体感觉。
W ang
[ 20]和 Spe irs等 [ 21]的研究较早尝试解决单
一基因无法导致挥发物大量合成问题。他们把酵母
9脱氢酶 ( yeast 9desaturase)基因和非特异性醇
脱氢酶 ( ADH )基因转入番茄中过表达,结果发现多
种以脂肪酸为底物的 ( Z ) 3乙烯酯 ( ( Z ) 3
hexenol)或 ( Z ) 3己烯醛 ( ( Z ) 3hexena)等香气成
分的浓度以及醛醇含量的比值发生了变化。研究也
表明转基因番茄中的醇类物质含量与人感知的水果
成熟香味成正相关 [ 21]。但是,这些研究只是改变原
有挥发物的含量而不能引入新的香气成分。
引入外源基因增加果香新组分的首次成功尝试
由 Lew insohn等 [ 22]完成。他们采用果实成熟期特异
表达的 E8启动子,将仙女扇芳樟醇合成酶 ( L IS)基
因转入番茄植株,结果发现成熟的果实合成并释放
大量香气明显的芳樟醇及其衍生物 8羟基芳樟醇。
此代谢调控较容易操作和实现,因为芳樟醇可以在
LIS基因调控下由= 牛儿焦磷酸 ( GPP)经简单的步
骤生成, GPP是合成类胡萝卜素的中间体,类胡萝卜
素合成途径在成熟番茄果实中非常活跃, 且芳樟醇
和 8羟基芳樟醇的合成不会影响果实生成的类胡
萝卜素总量。随后, 关于芳樟醇合成的研究不断报
道。但是,这类研究中合成的芳樟醇等单萜化合物
的量还不足以完全改变人类的总体香味感觉, 说明
香气挥发物的合成不仅仅需要相关的底物和酶,可
能还存在一系列的后续代谢过程, 而且挥发物释放
也有较为复杂的分泌过程, 其有关机理还有待于进
一步研究。
最近, DavidovichR ikanat i等 [ 23] 在利用代谢工
程改良果实香气品质方面的研究取得了重大进展。
他们将香叶醇合成酶 ( GES)基因置于多聚半乳糖醛
酸酶启动子 ( po lyga lacturonase promo ter) (另一种果
实成熟特异表达启动子 )下转入番茄植株。香叶醇
( geranio l)和芳樟醇一样是开链式单萜烯醇类, 由
GPP代谢中的一步反应生成。与芳樟醇不同的是,
芳樟醇是一种叔醇,其羟基不能进一步被氧化,香叶
醇是一种伯醇,很容易在非特异性醇脱氢酶的作用
下氧化为香叶醛 ( geran ial)。研究表明, 转入 GES
基因的转基因番茄果实能够大量合成香叶醇, 显著
减少色素沉着,并进一步进行香叶醇代谢,生成香叶
醛以及其自发互变异构体橙花醛 ( nera l)。橙花醛
和香叶醛做为柠檬醛的顺反异构体, 会散发出浓郁
的柠檬香味。香叶醛和橙花醛并不是最终产物, 它
们还会分别进一步代谢为= 牛儿酸 ( geranic acid)和
橙花酸 ( neric ac id)。另外, 通过香叶醇代谢还可合
成橙花醇、香茅醇、香茅醛、辛烯酸、乙酸香茅酯以及
玫瑰醚等挥发物质。通过由 34人组成的评测小组
转基因番茄果实进行评价, 结果 80%的小组成员指
出这些果实有浓郁的香气, 更有大约 60%的成员在
转基因番茄果实和非转基因果实的香味和口感对比
评测中明显偏好前者。
相比之下, 为人类消费针对植物营养组织和器
官进行的挥发物代谢工程研究比较落后。例如,
M ahmoud等 [ 24, 25]通过代谢工程在胡椒薄荷 ( pepper
m int)中提高萜类化合物如薄荷醇 ( mentho l)的合成
量, 降低人不嗜好香气成分如薄荷呋喃 ( mentho fu
ran)含量的合成研究取得了部分成功。他们利用基
因反义技术 ( ant isense techno logy) ,得到了薄荷呋喃
浓度减少 50%的转基因植物, 在另一个相关研究中
得到柠檬烯浓度显著增高的转基因植株。但是, 人
对这些转基因薄荷香气特性的感觉评价未见研究
报道。
4 挥发物代谢工程在改进植物防御方面的
应用
4. 1 植物挥发物在植物防御中的作用
在过去的 20年里,不断有研究表明植食者危害
植物可以使植物释放出至少由 200多种不同化合物
组成的挥发性混合物质 [ 26 ]。这些挥发物可以直接
麻痹、拒避植食性昆虫, 也可以引诱植食性昆虫的捕
食性天敌和寄生性天敌, 从而间接有利于发出信号
的植物免受进一步危害 [ 27, 28]。越来越多的关于植
物挥发物参与植物防御的报道表明, 通过代谢工程
调控植物挥发物的合成与释放可以促进农业和森林
生态系统的植物保护,进一步完善可持续有害生物
综合治理策略。但是,利用植物挥发物改进植物间
接和直接防御需满足一些必要条件:第一,在农作物
种植区域必须存在对植食者种群数量有足够控制作
用的天敌;第二,被诱导或增强的植物挥发物组分必
须是植食者或其天敌的关键性拒避或引诱成分, 挥
20
2010年第 12期 马波:植物挥发物代谢工程在改良香气品质和植物防御中的应用
发物的释放必须与植食者的活动规律同步;最后,被
释放的挥发物不能增加植物对非特异性植食者的吸
引力 [ 29]。
除了直接和间接诱导防御, 虫害诱导挥发物还
能充当气传信号,提醒、指导临近植物对未来有害生
物的侵害作出防御反应 [ 30] ,或者做为植物初级系统
防御中的信使信号 [ 31]。它能让未受害植物或受害
植物的未受害组织为快速防卫进入敏化 ( prim ing)
状态, 以便在植食者侵害时迅速作出反应,但其作为
植物防御反应启动子的分子机制还不清楚。在敏化
状态下,植物诱导产生的防御系统基本处于休眠状
态,直到植食者真正侵害为止。植物敏化是植物低
成本的防御策略,其能量和物质消耗远低于诱导直
接防御,受有害生物侵害时产生的效益远超过其成
本 [ 32]。通过在非转基因作物中间隔种植能在一定
范围内持续释放防御性挥发物的转基因植物而得到
敏化作物群落 ( prim ing crops)是植物保护的一种非
常有效的形式。但是目前, 这种技术的充分利用还
存在一定困难,主要原因是: 第一, 挥发物诱导的植
物敏化过程的分子机理还不清楚;第二,触发敏化过
程的挥发物信号的主要组分及其特性还未明确;第
三,敏化状态中可靠分子标记的鉴定和识别进展缓
慢。因此,解决上述问题, 充分利用植物敏化进行有
害生物控制是今后工作的一个重要方向。
虽然植物释放的挥发物可以逐步变化以适应复
杂的生态环境,有趣的是部分植食生物也会通过进
化反过来利用这些挥发物质为自身取食、产卵以及
其后代的生长提供便利。此外,最新研究表明,植物
释放的挥发物能够在寄生性杂草的寄主定位与识别
中充当化学信号 [ 33]。了解寄生杂草与寄主的相互
作用, 特别是挥发物在其中的作用,将有助于发展通
过寄主挥发物的代谢变化进行杂草种群的非化学治
理新策略。
4. 2 应用代谢工程改进植物防御的尝试
迄今为止, 虽然我们还不十分清楚特异性植物
挥发物的引诱和趋避特性、参与植物 -昆虫和植物
―植物相互作用的关键化学组分以及它们的分子作
用机制,但是调控挥发物图谱已被证明是一种增强
植物防御的有效策略。例如,草莓芳樟醇 /橙花叔醇
合成酶 ( FaNES1)基因的过表达使该酶靶向叶绿体,
导致转基因拟南芥植株产生大量芳樟醇类物质, 这
类芳樟醇在双向选择法生物测定中能有效趋避蚜虫
(Myzus p ersicae )
[ 27 ]。而 FaNES1基因在转基因马铃
薯中的异位表达能够增加芳樟醇的含量进而影响
植物 -植食者 -天敌三级营养关系, 使转基因植
株相比未受害的野生植株更容易引诱植食昆虫天敌
捕食性螨类 [ 2]。相似的研究表明, 通过具有倍半萜
前体法尼基二磷酸 ( FPP)的 FaNES1在线粒体中过
表达可以促进拟南芥的间接防御, 导致植物合成与
释放 ( 3S) ( E ) 橙花叔醇以及 C11萜烯类同系物 4,
8二甲基1, 3( E ), 7壬三烯 ( ( E ) DMNT ) , 引诱叶
螨的捕食性天敌智利小植绥螨 ( Phy toseiulus p ersi
m ilis)
[ 34]。
在另一相关研究中,过表达萜烯合成酶 ( TPS10)
基因的转基因拟南芥植株释放大量与玉米遭受鳞翅
目幼虫为害后释放的物质相同的倍半萜类化合物,吸
引有产卵经历的雌性寄生蜂菜蛾绒茧蜂 (Cotesiamar
giniventris)
[ 35]。Wu等 [ 36]通过研究发现,在转基因烟
草上过表达薄荷醇合成酶 ( PTS)基因,转基因植株会
产生挥发性薄荷醇及其它 13种倍半萜化合物, 这些
化合物能够趋避烟草天蛾,使其从转基因植株叶片迁
移至野生植株叶片并持续为害。
参与植物直接和间接防御的挥发物代谢工程研
究不仅仅局限于萜类化合物。如酵母酰基辅酶
A9脱氢酶 ( yeast acylCoA 9 desaturase)基因或昆
虫酰基辅酶 A11脱氢酶基因的过表达可以导致转
基因烟草植株大量增加绿叶挥发物质主要组分
( Z ) 3己烯醛 ( ( Z ) 3hexenal)的释放量。其机理
为, 上述转基因的表达提高 161脂肪酸的含量, 增
强 13脂氧酶 ( 13lipoxygenase)的活性。 13脂氧酶
( 13lipoxygenase)的活性主要催化 亚麻酸 ( lin
o lenic ac id)合成己烯醛的第一步反应 [ 37]。该研究
未报道 ( Z ) 3己烯醛的含量升高对昆虫行为的影
响,但是在 V ancanney t等 [ 38]的研究中报道了这种成
分对蚜虫行为的消极影响。
4. 3 应用代谢工程存在的问题
上述以及其它相关报道表明关于明确植物挥发
物在植物―昆虫相互关系中的作用以及挖掘代谢工
程在增强植物防御方面巨大潜力的研究取得了重要
进展。同时它们也揭示了代谢工程引起的遗传紊乱
21
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 12期
对植物生长和发育的负面影响以及获得预期目标挥
发物有效产物的各种风险。事实上, FaNES1基因在
拟南芥中过表达引起的流向薄荷醇产物的碳源转
移,虽然不影响质源性类异戊二烯化合物诸如叶绿
素、叶黄素和 胡萝卜素的含量, 却导致植株的生
长迟缓,而且这种迟缓表型可以在连续几代转基因
植株中遗传 [ 27 ]。转基因马铃薯中芳樟醇的释放可
导致植株出现多种严重的表现型,除生长迟缓外,植
株叶片还会出现白化症状 [ 39]。叶片失绿、叶脉透
明、植株矮小等症状在生产和释放大量薄荷醇的转
PTS基因烟草植株中普遍存在 [ 36]。出现这些可见
表型的原因可能是参与植物生长发育必要代谢的类
异戊二烯前体在挥发物代谢中过分消耗的结果,也
可能是植物细胞内部的外源萜类化合物的毒性作
用,具体原因有待于进一步研究。
对于成功的挥发物代谢工程来说,预期目标化
合物能充分生产和释放是重要而又基本的保证。但
是,新合成化合物的代谢转归 ( metabo lic fate)往往
涉及植物的所有生化活动, 完全了解某一植物物种
的所有生理生化活动比较困难,所以很难预测究竟
有多少预期目标化合物能以所需要的状态存在。例
如,新合成的化合物可能被某些存在于细胞且有广
泛反应底物的酶类所影响,诸如脱氢酶、葡糖基转移
酶 ( GTFS)及其它酶类 [ 40]。目前对这些酶以及在不
同植物种类中的具体分布还不够了解。事实上,在
转基因拟南芥组成性表达 FANES1基因的过程中,
部分游离态芳樟醇在内源性酶的作用下被羟基化和
糖基化,即如前所述,在橙花叔醇合成过程中, 其中
一部分被降解为 C11萜烯同系物 ( E ) DMNT。而
且,芳樟醇及其衍生物中糖苷的总含量是其它游离
态醇类的至少 10倍 [ 27]。与此相比,同样转 FANES1
基因的转基因马铃薯植株中检测到的芳樟醇糖基化
图谱有显著不同,虽然两个植物物种中产生的芳樟
醇 8羟基衍生物, 如 ( E) 8羟基芳樟醇、( Z ) 8羟基
芳樟醇和 ( E ) 8羟基 6, 7二氢芳樟醇等是相
同的 [ 27, 39]。
提高转基因植物中萜类化合物含量的研究初步
表明, 倍半萜的代谢工程不像制备单萜类那么简单,
是一个极富挑战性的工作。它主要通过质体中的甲
基赤藓糖磷酸 (MEP)途径来完成。在许多情况下,
伴随合成大量甾醇类化合物而产生的 FPP并不能
在外源倍半萜化合物合成中起到关键催化作用 [ 3]。
此外, MVA和质体 MEP途径对合成倍半萜所起的
作用以及类异戊二烯中间体在细胞器中的转运过程
都受植物种类、植物组织和植物生理状况影响 [ 41]。
迄今为止,分别在拟南芥和烟草上过表达 TPS10和
PTS基因使相应的酶类靶向胞浆是大量合成挥发性
倍半萜的两个成功例子。然而有研究表明, 相比靶
向胞浆的 PTS以及 FPP合成酶,靶向质体的相同酶
类指导合成的薄荷醇含量是前者的 100倍 [ 36 ] ,其原
因还不清楚。
4. 4 植物根系挥发物的代谢工程
最近研究表明,植物除了可以通过花、叶、茎、果
实等地上组织释放挥发物外, 还可以通过它们的根
向根围释放挥发物 [ 42]。这些挥发物可以帮助植物
吸引有益微生物和抵御有害微生物, 也可能在植物
种间竞争过程中发挥作用 [ 43]。此外, 一些寄生性植
物还可以利用土壤植物挥发物来定位它们的寄
主 [ 44]。目前,通过代谢工程改变植物根系挥发物释
放特性以改善植物防御的研究还未见报道, 这也是
今后工作的一个重要方向。
5 展望
植物挥发物作为一类重要的天然产物, 与农业、
环境和人类健康息息相关, 具有重要的经济效益和
社会效益。植物挥发物的代谢工程研究作为植物挥
发物研究的热点领域和前沿内容, 在过去的几年里
取得了较大进展, 尤其是在参与挥发物合成的有关
基因和酶类鉴定以及植物挥发物图谱的调控方面。
但是,诸多植物挥发物的代谢调控研究产生不可预
知的后果,表明当前植物挥发物的代谢工程研究还
处于发展初期,对诸多问题特别是植物代谢网络和
代谢机理包括网络基本组成、参与酶类的亚细胞定
位、竞争途径、代谢途径限制作用 ( metabo lic channe
ling)、代谢流的各个环节以及可能的反馈控制等内
容缺乏深入的研究和全面了解。在我国,关于这方
面的研究基本是空白。
近年来,微量分析技术不断提高, 基因组学、代
谢组学的研究不断深入, 生物学科与其它学科之间
的交叉融合 (如代谢流分析与计算机辅助模型的结
合应用 )日益紧密, 使得深入系统的研究植物挥发
22
2010年第 12期 马波:植物挥发物代谢工程在改良香气品质和植物防御中的应用
物代谢工程成为可能。可以预见, 重点解决代谢网
络和代谢机理的植物挥发物代谢工程研究将成为今
后一段时间挥发物研究的重点内容。应用植物挥发
物代谢工程改造现有植物性状、改良植物香气品质、
促进植物防御,培养抗病抗虫、色香型俱佳的植物新
品种将推动植物品种培育和改良工作进入新的
阶段。
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