全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2008年第 6期
收稿日期：2008-05-18
作者简介：刘蓉蓉（1979-），女，博士，助理研究员，专业背景为植物基因工程，现从事科技管理工作；E-mail：liurr@caas.net.cn
1 植物次生代谢概貌
植物能合成种类繁多、具有种属特异性的小分
子有机化合物，这些物质一般不直接参与植物生长
发育过程，其中许多物质的功能目前尚不清楚。 为
了与在植物界普遍存在、在细胞生命活动或植物生
长发育中起着直接作用的物质，如氨基酸、脂肪酸、
核酸 、植物激素等区别开来 ，这类物质被称为次生
代谢产物（secondary metabolites）。 它们通常有着复
杂而独特的生物合成途径和迥异的化学结构，其分
布通常具有种属、器官、组织和生长发育阶段的特
异性。
尽管一般不直接参与植物生长发育过程，但随
着研究的深入，人们逐渐认识到许多次生代谢产物
对于植物有着非常重要的生理功能，如抵御动物取
食与病原侵害、吸引授粉昆虫、适应环境变化、与环
境微生物互作、产生化感作用等等。 植物次生代谢
产物被人类加以利用的历史最早可以回溯到 3 000
年以前，当时人们就已经学会从植物中提取一些特
殊的成分作为药剂。 现在，植物次生代谢产物有着
更加广泛的应用领域和更为重要的经济价值。除了
相当一部分植物次生代谢产物直接用作临床药物
或用作合成临床药物的前体物外，许多种类的物质
还可用于生产染料、杀虫剂、香料、调味剂等，在食
品、化妆品和化工工业中扮演着重要的角色。
根据合成途径与化学结构的不同，植物次生代
谢产物被分为萜类化合物 （terpenoids）、 生物碱
（alkaloids）和酚类物质（phenolic compounds）3 大类 [1]。
萜类大约包含 25 000 多种物质， 都由 5 碳前体异
戊烯基焦磷酸 （isopentenyl diphosphate，IPP）衍生而
来；生物碱约有 12 000 种物质，它们都带有一个或
多个氮原子，主要以氨基酸为合成前体 ；酚类物质
有 8 000 种左右， 在结构上均有连在芳香基团上的
羟基，酚类物质绝大多数是苯丙烷代谢途径的产物，
因此又被称为苯丙烷类化合物（phenylpropanoids）。
植物次生代谢产物通常在植物中的含量极低，
而且大多无法化学合成，或化学合成成本过高。 因
此，人们进行了大量研究工作，旨在通过基因工程
的手段提高植物中某些次生代谢物的产量。这类工
作被统称为植物次生代谢产物的“代谢工程（metab-
olic engineering）”。
植物次生代谢途径的遗传修饰研究进展
刘蓉蓉
（中国农业科学院科技管理局，北京 100081）
摘 要： 通过过量表达或反义抑制等遗传修饰手段，人们尝试对研究较为清楚的植物次生代谢途径进行了基因工
程改造。对萜类、生物碱、苯丙烷类3类植物次生代谢工程的研究进展进行了综述。
关键词： 次生代谢 代谢工程 萜类 生物碱 苯丙烷类
Advances in Genetic Modification of Plant Secondary Metabolism
Liu Rongrong
（Department of Scientific Management，CAAS，Beijing 100081）
Abstract： Over expression or antisense suppression strategy has been applied to secondary metabolic pathways of
genetically modified plant. Recent progress of metabolic engineering of three major secondary metabolites，including
terpenoids，alkaloids and phenylpropanoids，was summarized.
Key words： Secondary metabolism Metabolic engineering Terpenoids Alkaloids Phenylpropanoids
2008年第 6期
2 萜类物质代谢工程
2．1 萜类物质简介
萜类物质由重复的异戊二烯单元衍生而来，并
根据含有 5 碳单元数目的多少分类。最小的萜类只
含有一个异戊二烯基， 被称为半萜（hemiterpenes）。
含有 2 个异戊二烯基的萜叫做单萜（monoterpenes），
其中最为人们熟悉的是挥发性的植物精油，主要有
吸引授粉昆虫、介导化感及防卫等生理作用。 从植
物中提取而来的精油被广泛用于食品、药品及化妆品
工业中。 含有 15 个碳原子的倍半萜（sesquiterpenes）
包含许多植保素和拒食素物质，帮助植物抵御微生
物病原侵害或草食动物取食。 含有 20 个碳原子的
二萜（diterpenes）包含一些临床药物，最著名的天然
抗癌药物紫杉醇（taxol）即为其中之一。
2．2 植物精油代谢工程
萜类物质代谢工程最成功的例子是对单萜植
物精油代谢途径的遗传修饰。遗传修饰可以提高植
物中精油的含量，同时还可能调控植物的香味与风
味。 薄荷精油主要成分是薄荷醇（menthol），而薄荷
呋喃（menthofuran）是一种影响精油品质的副产品。当
通过反义基因的手段抑制薄荷呋喃合酶（menthofuran
synthase，MFS）基因表达时，精油中薄荷呋喃的含量
显著下降，精油品质提高 [2]。
此外，人们还尝试改造一些本来不合成精油的
植物使其产生芳香。例如带有香味的山子草属野花
Clarkia breweri 能够合成单萜类香味物质芳樟醇
（linalool）， 研究者克隆了它的芳樟醇合酶（linalool
synthase，Lis）基因，并进行了一系列转基因工作。当
把 Lis 基因转入花朵没有香味的矮牵牛中时，转基
因矮牵牛能够合成芳樟醇，但产物以非挥发性的糖
基化形式存在，花朵依然没有香味 [3]；当把 Lis 基因
转入康乃馨中时，转基因康乃馨能够合成挥发性的
芳樟醇，但产量太低而没能影响花朵的香气 [4]；在成
熟的番茄果实中表达 Lis 时，合成芳樟醇类物质的
量达到可以嗅觉分辨的水平，改善了番茄的风味 [5]。
这些实验结果说明 ，在精油代谢遗传改造中 ，目标
植物的选择是一个重要因素，因为一些本身不合成
精油的植物可能缺乏运输和贮藏大量挥发性物质
的功能。
橙花叔醇（nerolidol）是草莓中含有的一种精油
物质，将草莓的橙花叔醇合酶 1（nerolidol synthase1）
基因引入拟南芥和菊花，前者可合成多种形式的芳
樟醇衍生物，后者可合成大量挥发性芳樟醇单体 [6]。
柠檬烯 （limonene） 是另一种重要的单萜类香味物
质，是薄荷中合成其它植物精油的重要前体物。 柠
檬烯-3-羟化酶 （limonene-3-hydroxylase，LH）可催化
柠檬烯发生羟化反应，其产物将不再进入合成精油
的代谢途径。 以遗传修饰的方法抑制薄荷中 LH 基
因表达， 转基因薄荷精油中柠檬烯的含量可从 2％提
高到 80％[7]。 1-Deoxy-D-Xylulose-5-Phosphate Synthase
（DXP）是单萜合成途径早期的一个关键酶，把拟南
芥的 DXP 基因在熏衣草 （Spike lavender）中过量表
达，熏衣草花朵中精油产量提高了 12.2％到 74.1％，
叶片中精油含量提高了 101.5％到 359.0％[8]。
2．3 其它萜类物质的代谢工程
倍半萜代谢工程的一个经典例子是重要抗疟
药物——青蒿素 （Artemisinin） 代谢途径的遗传改
造。当将青蒿素合成途径中一个关键酶——法呢基
焦磷酸合酶（farnesyl diphosphate synthase，FDS）基因
以农杆菌介导的方法转入青蒿 （Artemisia annua）
时，转基因植物中青蒿素的含量是原来的 2~3 倍 [9]。
二萜代谢工程见诸报道的例子迄今为止十分
稀少。将合成紫杉醇第一步反应的酶——紫杉二烯
合酶 （taxadiene synthase，TXS）在拟南芥中过表达 ，
叶片中积累到约 0.6 μg/g 干重的紫杉醇合成前体
紫杉二烯。
在一些萜类物质代谢工程的工作中，植物分生
与适应性受到了一定程度的损害。这可能是因为进
入初级代谢的底物有所减少，也可能因为产物对细
胞产生了毒性 [10]。
3 生物碱代谢工程
3．1 生物碱类物质简介
许多生物碱类物质是植物的化学防御剂，对昆
虫具有毒性（如尼古丁、咖啡因），或因为毒性及苦
味而成为植食性动物的拒食剂（如金鸡纳碱）。多种
生物碱物质都具有重要的药用价值，其中最著名的
有提取自罂粟的止痛和镇咳药物可待因（codeine）、
抗胆碱药物阿托品 （atropine）、 用于制造抗疟药物
氯喹（chloroquine）的奎宁（quinine）等。
3．2 生物碱代谢工程代表性成果
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2008年第 6期
第一个药用植物代谢工程的成功例子是对黑
莨菪（Hyoscyamus muticus）进行遗传修饰，提高根毛
中临床上常用的一种镇静剂——东莨菪碱（scopola
mine）的含量。 将催化东莨菪碱合成最末一步反应
的 酶——天 仙 子 胺-6β-羟 化 酶 （hyoscyamine-6β-
hydroxylase，H6H）转入莨菪毛状根中之后 ，莨菪中
富含的天仙子胺被催化为东莨菪碱，其含量能够提
高 100 倍 [11]。
在另一项工作中，当把黄连素合成支路入口处
第一个酶——金黄紫堇碱 9-O 甲基转移酶（scoulerine
9-O-methyltransferase，SMT）的基因转入悬浮培养的
黄连细胞时，能够将黄连素（berberine）和非洲防己
胺 （Isocorypalmine）的含量从全部生物碱的 79％升
高到 91％ 。 而将尼古丁合成途径中一个关键酶
putrescine N-methyltransferase （PMT）的基因转入烟
草后，叶片中尼古丁的含量提高了 40%[12]。
将生物碱苄基异喹啉 （benzylisoquinoline）合成
支路的 N-methylcoclaurine 3-hydroxylase 的基因转
入罂粟（Papaver somniferum L.），转基因罂粟果乳液
中总生物碱含量是野生型的 132％~449％， 且这个
增高的趋势至少保持 3 代以上 [13]。 另有研究表明，
当把吗啡烷合成途径中的酶 salutaridinol 7-O-acety
ltransferase（SalAT）的基因转入罂粟时，罂粟果乳液
中吗啡、可待因、蒂巴因的含量均升高 [14]。
从咖啡 （Coffea Arabica L.）中分离得到咖啡因
合成途径中 3 个酶的基因，将它们转入烟草 ，转基
因烟草叶片中积累到 3~6 μg/g的咖啡因，并且抗烟田
中重要的一种地下害虫——小地老虎 （Spodoptera
litura，cutworms）。 这也许是提高植物抗性的一种新
策略 [15]。
长春花 （Catharanthus roseus）能够合成 2 种重
要的具有抗癌活性的生物碱类物质——长春碱
（vinblastine）和长春新碱 （vincristine）。 通过过量表
达吲哚生物碱合成途径中的色氨酸脱羧酶（tryptop-
han decarboxylase，TDC），转基因长春花根毛培养物
中的蛇根碱 （serpentine）和色胺 （tryptamine）2 种生
物碱的含量均得到显著提高，为遗传改造长春碱和
长春新碱合成途径提供了有益尝试 [16]。
4 苯丙烷类物质代谢工程
4．1 苯丙烷类物质简介
苯丙烷类化合物基本都以苯丙氨酸或酪氨酸
为合成前体，具有十分广泛的生理功能。 例如木质
素（lignins）是细胞壁的重要成分之一，起着支持植
物 、运输水分与矿物质的作用 ；木脂体 （lignans）帮
助植物抵御病原 ， 并且是一种抗氧化剂 ； 栓质
（suberin） 可以通过形成保护屏障抵御空气中的有
害物或病原；香豆素（coumarins）、芪类（stilbenes）等
可帮助植物抵御病原侵染和动物取食；黄酮类物质
（flavonoids）具有赋予植物花朵、果实和种子多种颜
色与香味，抵御病害，抵抗紫外线损伤等多种功能。
4．2 黄酮类物质代谢工程
黄酮类物质超过 4 500 多种 ，是苯丙烷类物质
中最大的一类。 除了在植物种广泛的生理功能外，
还因其抗氧化活性而对人体具有保健作用。流行病
学研究揭示， 黄酮类物质摄入量与罹患冠心病、某
些癌症和中老年人常见病的几率负相关 [17]。 黄酮类
物质生物合成的途径是目前了解最为清楚的植物
次生代谢途径。
黄酮醇（flavonol）是黄酮类物质的一种，具有很
强的抗氧化活性，对它的代谢工程改造集中在模式
植物番茄中。番茄果皮中黄酮类物质含量较高而果
肉中含量很低，将来自矮牵牛的黄酮类物质合成途
径中的查尔酮异构酶 （Chalcone isomerase，CHI）基
因转入番茄，番茄果皮中积累的黄酮醇含量可提高
至 78 倍，果肉中积累的黄酮醇含量也有明显提高，
在其加工产品中可达到 1.9mg/g 干重，是对照组的
22 倍， 转基因番茄加工产品抗氧化保健活性也相
应提高[18]。 当把上述 CHI基因和来自大丁草（Gerbera
anandria）的黄酮合酶（flavone synthase，FNS）基因同
时转入番茄时，转基因番茄果皮中积累了多种黄酮
和黄酮醇类物质，果皮提取物的抗氧化活性是对照
的 3.5 倍 [19]。 苯丙烷类代谢途径中的多个基因受到
MYB 和 MYC 类转录因子的诱导，其中 Lc 和 C1 是
功能较为清楚的 2 个玉米转录因子 [17]。 当把这 2 个
转录因子引入番茄中过量表达时，黄酮类合成途径
中大多数酶的表达受到显著诱导，番茄果肉中积累
了多种通常情况下不能合成的黄酮类物质，果实中
总黄酮醇的含量提高了约 20 倍 [20]。
豆科植物特异性的次生代谢产物异黄酮（isofal
vonone）对人体具有突出的保健效果 ，能预防骨质
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疏松、更年期综合症，及以乳腺癌为代表的多种癌
症。 将豆科植物的异黄酮合酶（isoflavone synthase，
IFS）转入烟草、拟南芥 、玉米 、生菜等多种植物 ，发
现这些转基因非豆科植物均能合成大豆异黄酮 [21，22]。
不过转基因植物中大豆异黄酮的合成量与豆科植
物相比还有 2～3 个数量级的差距，若想达到应用水
平，还需要探索提高产量的策略。
4．3 芪类物质代谢工程
芪类具有帮助植物抵御真菌病害和一些非生
物胁迫的作用， 其中最为人们熟悉的是白藜芦醇，
除了具有植物抗毒素的功能外 ， 还对人体健康有
益，能够预防心血管疾病、动脉硬化等疾病。在自然
界中，白藜芦醇只存在于葡萄、花生、松树等少数几
种植物中，葡萄酒中含有的白藜芦醇是其最重要的
保健成分。植物中合成白藜芦醇的关键酶——芪合
酶 （stilbene synthase，STS） 已从多种植物中得到分
离 ，并且被转入了包括烟草 、苹果 、苜蓿 、白杨 、水
稻、大麦和生菜在内的多种作物中。 转基因植物能
够合成白藜芦醇， 其中在生菜叶片中的含量达到
56.40±5.52μg/g 鲜重，与葡萄中的含量相当 [23]。
5 结语
随着植物生物化学研究的进展，越来越多具有
重要功能的植物次生代谢产物被鉴定出来。为了使
这些天然物质更好的为人类所利用，对其代谢途径
进行遗传修饰必将成为一个重要的研究方向。次生
代谢途径通常极为复杂，而且不同途径之间通常有
着繁复的交互作用（cross talk）。 为了按照人们的意
愿改变植物中某种次生代谢产物的含量，或者让植
物合成新的次生代谢产物，除了需要首先阐明它们
的代谢途径外，还必须了解代谢途径中的酶所受到
的表达调控、前体物的丰度、产物合成部位、合成后
积累与运输机制等， 次生代谢工程的难度可想而
知。 除了黄酮类代谢途径等个例外，目前对大多数
次生代谢途径的了解尚未达到如此深入的程度，代
谢工程方面的进展还很有限，前文介绍的即为最成
功的一些例子。
用转基因悬浮培养细胞表达次生代谢产物是
一种新的手段，与转基因植株相比，细胞培养具有
容易引入外源基因、操作周期短、产量均一、方便通
过向培养液中添加诱导物进行诱导表达等优点。目
前已有数种次生代谢产物在转基因悬浮培养细胞
中得到了表达 [24]。 然而这一技术体系面临着提高产
量、优化大规模培养条件等技术瓶颈。
通过基因工程改造，将有可能获得抗性物质含
量升高的转基因作物， 或提高植物中药用物质、香
味物质等具有商业价值次生代谢产物的产量 。 因
此，尽管植物次生代谢工程是一项挑战性很大的工
作，但它良好的发展前景正吸引着越来越多的研究
人员投身于此。
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