全 文 ：武汉植物学研究 2007，25(5)：500～508
Journal of Wuhan Botanical Research
植物次生代谢物途径及其研究进展
王 莉 ，史玲玲 ，张艳霞 ，刘玉军
(1．北京林业大学生物科学与技术学院，北京 100083；2．西藏民族学院医学系，西藏咸阳 712082)
摘 要：植物次生代谢是植物在长期进化过程中与环境相互作用的结果，由初生代谢派生。萜类、生物碱类、苯丙
烷类为植物次生代谢物的主要类型，其代谢途径多以代谢频道形式存在，具有种属、生长发育期等特异性。从植物
次生代谢物的分类、代谢途径及代谢调控基因工程等方面展开论述，重点介绍了次生代谢物的生物合成途径，以及
利用基因工程等技术对植物次生代谢途径进行遗传改良等方面的研究进展，为全面认识植物代谢网络、合理定位
次生代谢及其关键酶、促进野生植物资源可持续利用等提供理论依据。
关键词：次生代谢；代谢频道 ；调控机制；限速酶
中图分类号：Q946．8 文献标识码：A 文章编号：10o0-470x(2007)O5-O5o0-o9
Biosynthesis and Regulation of the Secondary
M etabolites in Plants
WANG Li ’ ，SHI Ling—Ling ，ZHANG Yan—Xia ，LIU Yu—Jun
(1．Colege ofBiological Science and Blotechnology，Belting For~try Univer5ity，Beijing 100083，China；
2．Department ofMedicine，Tibet Institutefor Nationalities，Xianyang，Tibet 712082，China)
Abstract：Plant secondary metabolism is resulted from interactions between plants and environments dur—
ing the long—term evolution process，and is derived from the SO—called primary metabolism．Terpenoids，al—
kaloids and phenylpropanoids are the main three types of plant secondary metabolites，their metabolic
pathways mostly exist in a way of metabolic channels，and the pathways possess characteristics of the spe—
cies，the genus and the phase of growth and development．The present paper carried out discussions on the
classifcation of plant secondary metabolites，the metabolic pathways and the gene engineering of metabolic
regulations．In order to provide theoretical bases for comprehensively understan ding the plant metabolism
network，their reasonable positioning of secondary metabolism and its key enzymes，an d for stimulating the
sustainable exploration of wild plant resources，the discussions were emphasized on biosynthetic pathways
of the secondary metabolites and some other aspects including genetic improvement strategies on plant
secondary metabolic pathways by using gene—engineering technology．
Key words：Secondary metabolism；Metabolic chan nel；Regulation mechanism；Rate limiting enzyme
植物次生代谢(secondary metabolism)是由初生
代谢(primary metabolite)派生的一类特殊代谢过
程 ¨(见图1)，是植物在长期进化中与环境相互作
用的结果。近来的研究发现，植物次生代谢物(see—
ondary metabolite)在植物生命活动的许多方面均起
着重要作用，且部分是植物生命活动所必需的 。
例如，吲哚乙酸、赤霉素直接参与生命活动的调节；
木质素为细胞次生壁的重要组成成分；叶绿素、类胡
萝 卜素等萜类物质作为光合色素参与光合作用过程
等 ]。随着次生代谢产物在医药、食品、轻化工等
领域的广泛应用，其物质的种类、代谢途径，以及代
谢机理等相关问题亦倍受研究者关注，是植物生理
学、植物化学等众多学科的主要研究内容之一。植
物次生代谢物的产生和分布通常有种属、器官组织
和生长发育期的特异性。目前其分类方法主要有如
下三种：①根据化学结构不同，分为酚类、萜类和含
氮有机物等 ；②根据结构特征和生理作用不同，
分为抗生素(植保素)、生长刺激素、维生素、色素、
生物碱与植物毒素等；③根据其生物合成的起始分
子不同，分为萜类、生物碱类、苯丙烷类及其衍生物
等三个主要类型。笔者将按第三种分类方法对其物
质种类、代谢类型等方面的研究进展进行概述。
收稿日期：2007—02—09，修回日期：2007—09—20。
基金项 目：西藏自治区科技厅重大项目(2002—66)资助。
作者简介：王莉(1972一)，女，讲师，理学博士，研究方向为药用植物学。
+ 通讯作者(E—mail：yjliu@163．com)。
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第 5期 王 莉等：植物次生代谢物途径及其研究进展
赤藓糖·4·磷酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸
Erythrose’4-
．
phosphate Phosphoen
．
ol’pyruvate Py
r
⋯
uyate }_——— J
l T
三羧酸循环 一 乙酰·CoA
Tricarboxylic acid cycle f Acety．1-CoA
； I l J
莽草酸途径 脂肪族氨基酸 丙二酸 乙酸，甲羟
Shikimic acid pathway Aliphatic amino acid 途径 戊酸途径
Acetate-malonate Mevalonic acid
! i l pathway pathway
{ ◆ ： ： ；
3一磷酸．甘油醛
Glyceraldehydes·3·
phosphate
3-磷酸．甘油醛，
丙酮酸途径
3-phosphate glyceralde·
hydes|pyruvate pathway
芳香族氨基酸
⋯ ．． ； ；A
ro
．
matic am ino⋯。． 次生化合物 ’ 萜类化合物 ’
乙⋯ac⋯id．．⋯⋯⋯⋯A⋯lk⋯alo⋯id⋯⋯⋯．． 。 P erp en。oid’ l H’·------·-------·-·．．·-。-‘!
实线部分为初生代谢，虚线部分为次生代谢
Solid lines describe the primary metabolism and dashed lines the secondmy metabolism
图1 植物初生代谢与次生代谢的关系(改自文献[5])
Fig．1 Relationships between the primary metabolism and the secondary metabolism in plants
1 萜类化合物
萜类化合物(perpenoid)是所有异戊二烯聚合
物及其衍生物的总称 J，以异戊烷五碳类异戊二烯
为基本单位，又称类异戊二烯(isoprenoid)，以侧链
重复连接方式递增，分开链类和环萜类两种。开链
型类萜的分子组成通式为(C H。) ，包括半萜(C ，
即含一个异戊二烯单位，It=1)、单萜(C 。，It=2)、
倍半萜(C15，n=3)、双萜(C：0，n=4)、三萜(C30，n=
6)、四萜(C40，n=8)、多萜(>C40，n>8)及杂萜(含
异戊二烯侧链)等。环萜型类萜因分子内碳环数的
不同，可分为单环萜、双环萜、三环萜等。半萜、单萜
及其简单含氧衍生物是挥发油的主要成分；双萜是
形成树脂的主要成分；倍半萜是萜类的最大一族，约
有 7000多种，作用广泛；二萜、三萜多以皂甙形式存
在。双萜类以上也称“高萜类化合物”，一般不具挥
发性。植物萜类广泛分布于植物、微生物的初级代
谢物和次级代谢物中 。
1．1 萜类化合物的生物合成
萜类化合物的生物合成过程从属于异戊二烯代
谢途径，总体可分为四步：
(1)前 体 物 质 异 戊 烯 焦 磷 酸 (isopentenyl
diphosphate，IPP)的合成：IPP或二 甲丙烯焦磷酸
(dimethylalyl diphosphate，DMAPP，IPP的异构化产
物)为萜类合成的基本前体，合成途径有两条，即甲
羟戊酸途径(mevalonic acid pathway，MVA pathway)
和甘油醛磷酸／丙酮酸途径(3-phosphate glyceralde．
hydes／pyruvate pathway，orl-Deoxy-D-xylulose 5-phos-
phate pathway，DXP pathway)(见图2)。
经典的MVA途径存在于胞质和内质网中，3．羟
基-3一甲基戊 二酸单 酰 CoA还原 酶 (3-hydroxy．3一
methyl-glutaryl CoA reductase，HMGR)为该途径的第
一 个限速酶 ；DXP途径存在于质体中，参与此途
径的两个限速酶分别是 1．去氧木糖-5．磷酸合成酶
和 1一去氧木糖-5．磷酸还原酶 】。此外，线粒体亦可
通过 MVA途径产生泛醌异戊二烯基团，是第三类
IPP生物合成区室。IPP合成途径的区室化特征可
能与萜类代谢亚细胞水平特异性有关。
(2)异戊二烯焦磷酸同系物的产生：IPP在异
戊烯基转移酶的作用下发生亲电子延伸反应，使相
应的中产物通过 C 单位头对尾、头对头等方式连续
加成形成异戊烯焦磷酸同系物。如法呢基焦磷酸、
栊牛儿基焦磷酸、栊牛儿栊牛儿基焦磷酸等烯丙焦
磷酸酯类物质，是构成各类萜化合物的直接前体。
异戊烯基转移酶催化亲电耦合反应的过程为丙烯基
焦磷酸酯首先离子化，再和 IPP的末端双键反应形
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武 汉 植 物 学 研 究 第 25卷
乙酰coA 丙酮酸 — — — ～ 焦磷酸硫胺素
Acetyl·CoA Pyruyat~ J Thiamine pyrophosphat~
1． 乙酰CoA ●
I Acety1．CoA 羟乙基焦磷酸硫胺素
乙酰 酰coA Hy ro yethylthi甲i_ne diphosphate
Acetoacety1．CoA 1·去氧木糖·5·磷酸合成酶 J 甘油醛．3．磷酸
I 1-deoxy-D-xylulose I．’。Glyceraldehydes．3．
3·羟基-3-甲基戊二酸单酰CoA 1-脱氧．I)-木酮糖．5．磷酸
3-Hydroxy·3·methylglutaryl CoA 1-deoxy·D·xylu：ose一5·phOSphate
I HMG·CoA还原酶 1．去氧木糖．5．磷酸还原酶 I
I 3·hydroxy-．一3 methyl· 1-deoxy·D·xylulose-5-phosp·l
Ⅷ 一 c眦 卜 甲 4_p sp I l
： 异戊 磷酸 5’phosph IT
I
I。 al。“i。 。id I
sopen t
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’
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-f 叩 Gera儿ny躲l pyro ph- 儿基 植烯
档 I 8 osphate Gcr yI Phyteral 异戊烯焦磷酸 0 nI u yIgeI。aIl
Isopenteny pyrophosphate 。 pymp“?。pnat。 。
I ； ； ；
法呢基焦磷酸 — —- 鲨烯 单 萜 双 萜 四 萜
Farnesyl pDophosphate Squslene Monoterpenes Diterpenes Tetraterpenoid
+ ÷
倍半萜 三萜
Sesquiterpenes Trilerpenes
乙酸／甲羟戊酸途径 甘油醛磷酸／丙酮酸途径
(M VA pathway) (DXP pathway)
虚线表示由多步反应完成
Dashed lines represent that it consists of actions more than one
图2 植物萜类生物合成的两条途径 (改自文献[5])
Fig．2 Two pathways of terpenoid biosynthesis in plants
成一个第3位 C的阳离子化合物，最后脱去一个质
子完成反应。现阶段研究最为广泛的异戊烯基转移
酶为法呢基焦磷酸合酶(famesyl diphosphate syn—
thase；) 。
(3)萜类基本骨架的构建：各类烯丙基焦磷酸
酯经特异性萜类合酶作用可产生各种萜类的碳骨
架，如植烯、鲨烯的形成等。
(4)骨架的次级酶修饰 ：萜类碳骨架合成后，需
经过附加不同含氧官能团、共振结构和环化作用等
次级修饰过程，才可赋予萜类物质结构多样性、化学
性质复杂性，以及功能特异性等特征 ¨ 。如(一)一
柠檬烯在不同烯丙位上特异性引人一个氧原子，就
会在辣薄荷中转化为(一)一薄荷醇，在留兰香中转
变为(一)，香芹酮，二者分别为不同种植物精油的
特征性成分。向萜类骨架引人氧原子的羟基化或
环氧化反应 ，多由细胞色素 P4so多功能氧化酶催化
完成。
1．2 萜类化合物的代谢调控
植物次生代谢途径通常以不同类别的次生代谢
物合成途径为单位即代谢频道(metabolic channe1)
的形式存在 ¨。植物萜类化合物，如单萜、倍半萜
以及双萜等高级萜类不仅拥有单独的合成途径，且
具独特的酶促反应机制。例如，番茄果实甾醇和胡
萝 卜素的合成分别由不同的HMGR等位基因所控
制 ¨；马铃薯中HMG1负责机械损伤诱导的甾醇合
成，HMG2和HMG3则负责诱发因子作用下倍半萜
植保素的合成 引¨。萜类的代谢频道不仅受植物发
育进程的调控 ，亦受不同诱发因子的启动 墙J。
如气候条件是影响萜类物质形成的重要因素之一，
其种类、数量、含量和释放量都会随季节的变化而变
化 9¨ ，多数热带植物含有大量挥发油成分 ；亚
热带松柏科植物树脂含量明显高于温带松柏科植
物 。
此外，萜类代谢与植物营养水平有关 。Bry—
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第5期 王 莉等：植物次生代谢物途径及其研究进展
ant等提出的“碳一营养平衡”假说认为，植物体内以
c为基础的次生代谢物质(如萜类、酚类等)与以N
为基础的次生代谢物质(如生物碱等)基本保持一
种平衡关系 。在植物生长过程中，添加 N可以导
致以c为基础的次生代谢物质的减少 】，其中单萜
类化合物受营养水平的影响更为显著 埘】。
病虫害侵袭能诱导植物产生更多的挥发性物
质，或改变植物挥发性物质成分的含量及组分浓度
比。如青蒿素单萜合成酶 cDNA的转录可被伤诱
导 ；华山松球果受害后，萜类各组分的含量明显
增加 】。萜类物质的变化有利于植株进行 自我保
护及防御病虫害的侵袭 】。
植物萜类化合物的生物合成受关键酶与限速酶
的调控，如转移酶、合酶、环化酶等 引。其中，关键
酶的表达决定代谢途径的启动及相关特定物质的合
成，而限速酶的表达则与物质的合成量相关。萜类
合酶是萜类生物合成的关键酶，是研究萜类代谢途
径的重点，目前主要研究方向为萜类合酶分子DNA
序列分析。该酶具有多重特性，如一种植物中有多
种萜类合酶基因 ．3 ，其表达有时空特异性，在特
定细胞和组织中表达，在生长发育的特定阶段表达，
以及具防御反应诱导的瞬时表达等。但是，该合酶
基因在植物中一般表达量较低，难于分离纯化。目
前已从植物中得到约 100个萜类合酶的 cDNA，已
具备从一级结构分析萜类合酶的基础 J。HMGR、
各种萜类环化酶、鲨烯合成酶是萜类代谢途径的限
速酶。代谢频道内多个相关酶活性的协同提高，往
往可显著地提高次生代谢物的产量。如 McMuUen
等通过 QTL分析发现玉米黄酮甙(flavone glycoside，
又称maysin)的生物合成量的提高与各种酶活性的
协同表达有关 。
近年来，人们已拓宽了对萜类化合物代谢工程
的研究策略，利用增加萜类代谢途径中限速步骤酶
编码基因的拷贝数，或通过反义 RNA和 RNA干涉
等技术，以增加灭活代谢途径中具有反馈抑制作用
的编码基因，在不影响细胞基本生理状态的前提下，
阻断或抑制与目的途径相竞争的代谢流；利用已有
的途径构建新的代谢旁路合成新的萜类化合物等。
例如，将萜类代谢途径中的一系列关键酶基因导人
大肠杆菌中可构建一条新的代谢途径，实现在无类
胡萝 卜素合成的大肠杆菌菌株中生成类胡萝 卜
素[3引。研究表明，部分大肠杆菌菌株经 DXP途径
可以合成少量的类胡萝 卜素，通过基因工程增加此
代谢途径中关键酶基因的拷贝数后其合成量明显提
古 [39，40】
同 0
2 生物碱
生物碱(MkMoid)属含氮有机次生代谢物中的
最大一族，主要包括异奎啉类、吲哚类和多炔类等。
大约20％的有花植物都能产生生物碱，目前已经分
离到12 000余种，其中许多种类是药用植物的有效
成分。如喜树(Camptotheca acuminata)中喜树碱为
一 种有效的抗癌药物；罂粟(Papaver$omniferum)中
可待因具有止痛、镇咳功效；金鸡纳树(Cinchona of-
ficinalis)中奎宁为传统的抗疟疾药物，用来消除对
其他抗疟疾药物产生的抗性；长春花(Catharanthus
roseu~)中长春花碱为抗肿瘤药物，可用于治疗淋巴
瘤等。
2．1 生物碱类化合物的生物合成
大多数生物碱分子都是由L一氨基酸(如色氨
酸、酪氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸和精氨酸等)单独合
成，或者与类固醇、类裂环烯醚萜(如次番木鳖苷)
或其他类萜配基结合生成。根据合成前体不同，生
物碱可分为真生物碱、伪生物碱和原生物碱。真生
物碱和原生物碱都是氨基酸衍生物，但后者不含杂
氮环，而伪生物碱则不来源于氨基酸，是由萜类、嘌
呤和甾类化合物转化而来。普通氨基酸经三羧酸循
环一两次转变即可成为具高度特异性的生物碱合成
前体。
目前研究发现，植物生物碱的主要类型为萜类
吲哚生物碱、苄基异喹啉生物碱、茛菪碱、烟碱和嘌
呤生物碱等，这些生物碱在植物体内均有其特定的
生物合成途径或代谢频道形式存在(见图3)。
萜类吲哚生物碱分子含有吲哚环和次番木鳖
苷。异胡豆苷合酶是该途径关键酶之一，其中产物
异胡豆苷(strictosidine)，是该途径重要的分支点，可
进一步转化为长春花碱、奎宁、番木鳖碱等多种同类
生物碱 (图3：A途径)；四氢苯基异喹啉类生物碱
合成途径的分支点为(S)一网状番荔枝碱，在特异性
合酶的作用下可进一步合成黄连素、延胡索碱、吗啡
等生物碱(图3：B途径)。烟碱和茛菪碱等生物碱
的合成前体为鸟氨酸，腐胺一N一甲基转移酶、托品酮
还原酶、东茛菪胺羟基化酶等为该类物质生物合成
的关键酶 (图3：C途径)。
2．2 生物碱类化合物的代谢调节
植物生物碱代谢途径是一个动态的复杂过
程 引，既受到植物本身遗传背景和生长发育进程的
调控，也受到病虫侵染和取食、生态环境、营养水平、
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A
莽革酸途径
Shikimic acid pathway
Bl C
L‘色氨酸 L．酪氨酸 乌氨酸
Tryp幻ph L-t
．
yros
．
ine Ornithine
色氨酸脱羧酶I 转氨酶I I酚类氧化酶 I鸟氨酸脱氢酶
Tryptophan I Aminotransferase I I Polyphenol oxidase，PPO I Ornithine dehydroge
圳黜 羟苯 醛．+多巴胺 腐胺escp- Putyin。 。 色胺 乙 ⋯⋯e
Tryptamine _hydroxyph。“y tic acid Dop柚1in。 I腐胺．N．甲基转移酶
翮
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焉 碱 ⋯ m 舞 ⋯
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单萜吲哚类生物碱 苄基一异喹啉类生物碱 烟碱、茛砻胺等生物碱
Monoterpenoid indole alkaloids Benzylisoquinoline alkaloids Nicotinamide，scoDolam ine alkaloids
虚线表示由多步反应完成
Dashed lines represent that it consists of actions ITlOr~than one
图3 植物生物碱类生物合成的三条途径(A、B、c)(改自文献[41])
Fig．3 Thine pathways(A，B，C)of alkaloid biosynthesis in plants
养分形态等各种诱发因子刺激的作用。例如，氮素
有利于植物生物碱产额的提高 J，反之，缺乏氮素
则严重抑制生物碱的合成 ；氮素形态差异对生物
碱的合成和积累也有影响，可导致生物碱含量或各
组分比例的改变 J，但其影响机制，目前还知之
甚少。
已知的植物生物碱代谢频道中，其代谢途径往
往受到在空间、区域和底物上的高度特异酶的调控。
例如，生物碱长春多灵的生物合成过程分别在细胞
质、液泡、液泡膜、内质网膜、类囊体膜等5个以上细
胞区室内完成。苯基异喹啉生物碱的合成途径中黄
连素桥酶及(S)一四氢原黄连素氧化酶都定位在由
光滑内质网产生的小泡中，是一种微小粒体细胞色
素 P 如依赖型氧化酶，具有高度底物特异性 4 J。吲
哚3．甘油磷酸裂解酶、酪氨酸／多巴脱羧酶、小檗碱
桥酶等可能是各类生物碱合成途径的限速酶，决定
着生物碱的合成与积累量。托品酮还原酶、小檗碱
桥酶、氧甲基转移酶等为催化合成生物碱中特定立
体结构基本骨架的专一性酶，而羟基化酶、脱氢酶和
单氧化酶等修饰酶类，虽然对底物要求不高但可影
响生物碱代谢的最终产物类型 。
植物次生代谢往往涉及多个酶基因的协同表
达。增强关键酶基因转录因子或调节基因的拷贝
数，可强化次生代谢多基因的协同表达，促进次生产
物的合成，是植物次生代谢基因工程的新途径。目
前，研究者已从长春花中分离得到茉莉酸诱导型的
AP2区域转录因子 ORCA3，该转录因子在长春花中
的组成型表达，使得萜类吲哚生物碱关键酶的表达
增强，目标产物合成量提高 。此外，通过强启动
子与酶基因嵌合转化的基因添加方式也可提高控制
特定生物碱合成的关键酶和限速酶的活性，例如将
长春花中色氨酸脱羧酶和异胡豆苷合酶的嵌合基因
连接到组成型启动子上，再转人长春花，转基因长春
花培养细胞中萜类吲哚生物碱含量增加 ；强化转
基因植物中与生物碱合成有关的酪氨酸／多巴脱羧
酶和色氨酸脱羧酶基因的协同表达，可减少吲哚芥
子油苷的含量，增加吲哚生物碱的含量 。
3 苯丙烷类化合物
苯丙烷类化合物(phenylpropanoid)或其衍生物
广泛分布于约250000种维管植物中，结构迥异，种
类繁多，广泛参与调节生长发育、繁殖和防御等各种
植物生理活动。
黄酮类化合物泛指由2个芳香环(A和B)通过
中央三碳链相互连接而成的以苯色酮环为基础结构
的一系列化合物，目前已发现4500多种异型分子，
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如花色素苷(色素)、原花色素或缩合鞣质(阻食剂
或木材保护剂)、异黄酮类化合物(防御产物和／或
信号分子)、查尔酮、橙酮、黄酮、黄酮醇等。
简单酚类为含有一个羟基的苯环化合物，按其
结构可分为 3类，即①简单苯丙酸类 (phenyl pro—
panoid)化合物，具苯环一C3基本骨架，如 t一桂皮酸
(trans—cinnamic acid)，p一香 豆 酸 (para—counlaric
acid)、咖啡酸(cafeic acid)和阿魏酸 (femlic acid)
等；②苯丙酸内酯(phenyl propanoic lactone)类化合
物，亦称香豆素 A(coumarln A)类，含苯环一C3基本
骨架，但 c3与苯环通过氧化方式环化，如伞形酮
(umbeliforone)，补骨脂内酯(psoralen lactone)和香
豆素等；③苯甲酸(benzoid acid)衍生物类，具有苯
环一C1基本骨架，例如水杨酸(salicylic acid)和香兰
素(vanilin)等。许多简单酚类化合物在植物防御
食草昆虫和真菌侵袭中起重要作用，某些成分还具
有调节植物生长的作用。
醌类化合物是一类由苯式多环烃碳氢化物(如
萘、蒽等)衍生的芳香二氧化物，是植物呈色因子之
一
。 根据其环系统可分为苯醌、萘醌和蒽醌。部分
醌类具有抗菌、抗癌等功效，如胡桃醌和紫草宁。
3．1 苯丙烷类化合物的生物合成
苯丙烷类化合物生物合成的起始分子为芳香族
氨基酸，即苯丙氨酸和酪氨酸。研究表明，在大多数
植物苯丙烷类化合物代谢途径中包含两个基本途
径，即莽草酸(shikimic acid)途径和丙二酸(malonic
acid)途径 引。莽草酸途径主要参与高等植物的苯
丙烷类代谢 ，丙二酸途径则为真菌或细菌的合成途
径。在高等植物体中，通过莽草酸途径可将赤藓糖一
4一磷酸(磷酸戊糖途径)与磷酸烯醇式丙酮酸(糖酵
解途径)结合经中产物莽草酸(故名为“莽草酸途
径”)转化为芳香族氨基酸——苯丙氨酸和酪氨酸。
这两种芳香族氨基酸为苯丙烷类化合物生物合成的
起始分子。由苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine amlTlO—
nia lyase，PAL)催化苯丙氨酸脱氨形成肉桂酸，进而
转化为木质素单体(monoligno1)的一系列过程被公
认为苯丙烷类化合物代谢的中心途径(图4)。
3．2 苯丙烷类化合物的代谢调节
苯丙烷中央代谢途径 condensed tannin及类黄
酮和异黄酮合成支路均以代谢频道存在 -5]。例
如，拟南芥细胞中的查耳酮合酶(chalcone synthase，
CHS)、查耳酮异构酶(chalcone isomerase，CHI)、黄
烷酮一3一氢氧化酮酶和二氢黄酮醇还原酶之间相互
联系形成多酶复合体 J，黄烷酮一3一氢氧化酮酶、肉
桂酸4．羟基化酶、阿魏酰一5一羟基化酶等细胞色素
P 卯酶多充当细胞膜“锚”的作用，将相关的酶组装
固定在内质网膜上，从而构成了此类代谢途径的代
谢频道 ’ 。
研究表明，苯丙烷代谢途径中PAL、CHS、芪合
酶、异黄酮合酶等为形成特定立体结构的专一性酶，
对底物具有较强的专一性。在大多数维管植物中苯
丙氨酸是 PAL偏爱的底物，但只有单子叶植物 的
图4 植物苯丙烷类的生物合成途径(改自文献[5])
Fig．4 Phenylpropanoid biosynthesis pathway in p／ants
d
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武 汉 植 物 学 研 究 第 25卷
PAL才可以同时利用苯丙氨酸和酪氨酸。黄烷酮一
7一O一甲基转移酶、异黄酮4一O一甲基转移酶、异黄酮
(异黄烷酮)二甲烯丙基转移酶等为该途径的结构
修饰酶类。PAL、肉桂酸4一羟基化酶(cinnamate 4一
hydoxylase，C4H)、4一香豆酰一CoA一连接酶(4一coumar-
ate CoA ligase，4CL)是苯丙烷类合成途径中的限速
酶，位于代谢途径的分支点或者合成途径的下游，负
责合成广义酚类物质的一般合成前体。
PAL是一种诱导酶，可受到多种因素的诱导。
如低温、机械损伤、病原菌感染、光、毒素处理、昆虫
取食等都可诱导 PAL基因的表达，王莉等利用不同
光质条件对长鞭红景天悬浮培养细胞进行较长时间
的辐射处理，并检测其 队L活性的变化，通过比较
分析得知长时间的红光处理有利于 PAL酶活的提
高 引。CHS是将苯丙烷类代谢途径引向黄酮类合
成的第一个酶，该酶基因的表达也会受到病原菌的
诱导，其活性受到植物激素、营养水平、光照、病原菌
及机械损害等的影响。PAL位于初生代谢和次生代
谢分界处，因此被定位为是苯丙烷类化合物代谢的
中心酶。植物中，编码PAL的基因为单基因或一个
多基因家族。分支酸(chorismic acid)是莽草酸途径
的重要枢纽物质，将代谢分为色氨酸合成方向及苯
丙氨酸 (phenylalanine)和酪氨酸(tyrosine)合成方
向。
日益成熟的植物基因工程技术和苯丙烷类代谢
产物重要应用价值的不断阐明，促进了苯丙烷类代
谢途径基因工程的研究。目前，主要的研究策略体
现在关键酶基因工程及调节基因或转录因子基因工
程等方面 J，为提高限速酶活性或引入新的苯丙烷
类代谢途径奠定了理论和技术基础。例如，He等将
IOMT基因与CaMV35S连接后转入苜蓿，可使其合
成苜蓿素(medicarpin)的速度较对照快，产量高，抗
病水平显著提高 ¨ 。将花生芪合酶基因转入含反
应底物的烟草细胞 ，可使外源基因表达并启动新途
径合成芪类化合物，提高转基因植物的抗病水平。
将拟南芥的 IFS基因转入烟草和玉米等非豆科植
物，可将柚皮素转化为染料木黄酮、大豆黄素(仅存
在于豆科植物体中)等异黄酮类植保素 。此
外，可通过反义基因的遗传转化抑制部分关键酶基
因的表达，降低饲料和树木中木质素的含量，提高饲
料的饲用价值和木材的造纸质量和效益 J，或通过
CCoAOMT(cafeoyl coenzyme A-3一O—methyltrans—
ferase)反义基因的遗传转化，有效降低转基因烟草
中木质素的含量 。
综上所述，植物次生代谢途径的基本框架已初
步探明，在代谢途径分子调控及代谢工程的研究方
面也已取得了不少进展，但是一些限速步骤及同功
酶的研究资料较少，转基因植株有效成分的安全性
及有效性还尚未明确。随着生物科学研究的深入，
一 些未知代谢机制将被进一步揭示，以为植物次生
代谢的正确定位和药用植物资源保护与可持续利用
方案的制定等奠定理论基础。
参考文献：
[1] 陈晓亚，叶和春．植物次生代谢及其调控[A]．见：李承森主
编．植物科学进展(第 1卷)[c]．北京：高等教育 出版社，
1998．293—304．
[2] Toni M，Kutchan．E~ological arsenal and developmental dispat．
eher：the paradigm of secondary metabolism[J]．Plant Physl，
2001，12,5(1)：58—6o．
[3] 付洋，王洋，阎秀峰．萜类化合物的生理生态功能及经济价值
[J]．东北林业大学学报，2003，31(6)：59—62．
[4] 陈晓亚，刘培．植物次生代谢的分子生物学及基因工程[J]．
生命科学，1996。8(2)：8—9．
[5] Taiz L，Zeiger E．Plant Phy~obgy[M]．4th ed．Sunderland，Mas．
saehusetts：Sinauer Associates Inc，Publishers，2006．
[6] 肖崇厚．中药化学 [M]．上海：上海科学技术 出版社，1991．
323—374．
[7] 李薇，李岩，金雄杰．白桦三萜类物质的抗肿瘤作用及其对免
疫功能的增强效应[J]．中医中药与免疫，2000，16(9)：485—
487．
[8] Chappen J．Biochemistry and molecular biology of the isoprenoid
biosynthetic pathway in plants[J]．Annu Rev Plant Phys~l Plant
Mol Biol，1995。46：521—547．
[9] Lange B M，Wildung M R，Mecaskil D，Cmtean R．A family of
transketolases that directs isoprenoid biosynthesis via a meval-
onate independent pathway[J]．Proc Natl Acad Sci USA，1998，
95．210o一2104 ．
[1O] 赵玉军，叶和春，李国风 ，陈大华，刘彦．优系青蒿法呢基焦磷
酸合酶基因的克隆和酶学分析[J]．科学通报，2003，档 (2)：
162_166．
[11] Gershenzon J．Metabolic costs of terpenoid aecumlation in higher
plant[J]．J Chem Eco／，1994，20：1281—1328．
[12] 何水林 ，郑金贵，王晓峰，王燕华 ，许明，李斌莲，林明．植物次
生代谢：功能、调控及其基因工程[J]．应用与环境生物学报，
2002，8(5)：558—563．
[13] Narita J 0，Gmi~ m W．Tomaw hydIDxymethyl utaryl-CoA
rtductase is required early in fruit development but not during
repening[J]．Plant Cel，1989，1：181—190．
[14] Choi D，Ward B L，Bostock R M．Diferential induction and sup-
pression of potato 3-hydroxy-3·methylglutaryl eoenzyme a r~tuc-
taae genes in reponse to Phytophthora infestans and to its elicitor
araehidonie acid[J]．Plant Cel，1992，4：1333—1344．
[15] Zhang Q H，Birgersson G，Zhu J，L~fstedt C，L~fqvist J，Sehlyter
F．Leaf vohtiles from nonhest deciduous trees：variation by tree
维普资讯 http://www.cqvip.com
第5期 王 莉等：植物次生代谢物途径及其研究进展
species，sea8on and tempertum．and electrophysiological activity in
Ipa typogsaphus[J]．J Chem Ecol。1999，25：1923—1943．
[16] Yamaura T，Tanaka S．Tataba M．Participation of phytochrome in
the photoregulation of terpenoid synthesis in thyme seedlings[J]．
Plant CellPhysiol，1991，32：603—608．
[17] Llusi~t J，Peituelas J．Seasonal paterns of terpene content and
emission from seven Mediterranean woody spcies in field condi—
tions[J]．Am．，Bat。2000。87：133—140．
[18] Yazaki K，Matsuoka H，Shimomura K，Bechthold A．Sato F．A no_
vel dark—inducible Protein， DI_2．an d its involvement in root—
specific secondary metabolism in L／thospermum erythrorhizon[J]．
Plant Physiol，2001。125：1831—1841．
[19] Owens M K，Lin C—D，Taylor Jr C A．Whisenant S G．Seasonal
paterns of plant flammability and monoterpenoid contert in Jun／-
peru*aahti[J]．JChemEcol。1998。7．4：2115—2126．
[2O] 冷平生，王天华，苏淑钗，蒋湘宁，王沙生．银杏黄酮苷和萜类
内酯含量的季节变化 [J]．植物资源与环境学报。2001。10
(3)：15—18．
[21] Ros J D，Sombero C．Environmental control of e88ential oil Dro-
duction in mediterranran plants[A]．In：Harbome J B eds．Eeo-
logical Chemistry and Biochemistry of Plant Terpenoids[M]．o，【一
ford：Clarendon Press，1991．64—94．
[22] Langenheim J H．HigheI plant terpenoids：a phytoeentric overview
oftheir ecological roles[J]．J Chem Ecol，1994。20(6)：1223—
1280．
[23] 徐涛，孔垂华，胡飞．红蓟化感作用研究 Ⅱ．挥发油对不同营
养水平下植物 的化 感作用 [J]．应用生 态学报，1999。10：
748—750．
[24] Bryant J P，Chapin F S II，Klein D R．Carbon／nutrlent balance of
boreal plants in relation to vertebrate herbivory[J]．O／kos。1983，
40：357—368．
[25] Gershenzon J，Croteau R．Terpenoids[A]．In：Rosenthal G A eds．
Herbivores，Their Interactions with Secondary Metabolis the
Chemical Participants，Vo1．1 C[M]．New York：Academic Pres，
l991．165—219．
[26] Guenther A B，Monson R K。Fal R．Isoprene and monoterpene e_
mission rate variability：Observations with eucalyptus and emi~ion
rate algorithm development[J]．J C~op~ Res，1991，96(D6)：
10799—10808．
[27] Hu MY，Klocke JA。Chiu SF．Responseoffiveinsectstobotani—
cal insecticides，rhodojaponin一11[J]．J Econ Entomol，1993，86
(3)．706—711．
[28] Staudt M，Seufen G．Light-dependent emission of monoterpenes
by holm oak (Q w ilex L．)[J]．Nat Urwmen~chaf Ten，
1995．82：89—92．
[29] 许燕华，骆萍 ，卢山，贾军伟，蔡煜 ，周向军 ，林芝萍 。陈晓亚．
次生萜类生物合成的调控 [J]．中国科学基金，2000：197—
199．
[3O] 李新岗，马养民，刘拉平，候慧波，马江平 ，肖飞．华山松球果
挥发性萜类成分研究 [J]．西北植 物学报，2005，25(1O)：
2O72—2O76．
[3 I] Dicke M．Local and systemic production of volatile herbivore—in-
duced terpenoids：their role in plant—herbivore mutualism[J]．．，
Plant Physiol，1994，143：465—472
．
[32] Shen B，Zheng z。Dooner H K．A rtlaise sesquiterpene cyclase
gone induced by insect herbivory and volicitin：characterization of
wild—typeand mutant aleles[J]．Pro Nat／Acad ．2000．97
(26)：14808—14812．
[33] Cane D E．Comprehensive Natural Products Chemistry[A]．In：
Cane D E ed．Isoprenoid Biosynthesis[M]．Oxford：Pergamon．
1998．
[34] Bohlmann J．Croteau R．Diversity and variability of terpenoid de-
fences in conifers：molecular genetics
，biochemistry and evolution
0fthe t*rpene syntbase gene family in grand fir(Able,grandis)
[J]．Novart／sFound跏 ，lP，1999，223：132—145．
[35] Bohlmann J，Philips M，Ramaehandiran V，Katoh S．Croteau R．
eDNA cloning，characterization，and functional expression of four
new monoterpene synthasemembersof the dgonefamilyfrom
grand fir(Abiesgraadl,)[J]．Arch Biochem Biophys，1999，368：
232—243．
[36】 杨涛，曾英．植物萜类合酶研究进展 [J]．云南植物研究，
2005。27(1)：l一10．
[37] McMullen M D，Byme P F，Snook M E，Wiseman B R，Lee E A，
Widstrom N W，Coe E H．Quantitative trait loci and metabolic
pathways[J3．Proc NatlAcad&i USA。1998。95：1996—2000．
[38] Wang CW，OhM K，Liao JC．Engineeredisopemoid pathway en—
hances astaxanthin production in Escherichia coli[J]．Biotechnol
Bioeng。2000，62(2)：235—241．
[39] Lee P C，Mijts B N．Schmidt—Dannert C．Investigation of factors
influencing production of the monocyclic carotenoid torulene in
metabolicaly engineeredEscherichia coli[J]．铆 zMicrobiol
technol。2004，65：538—546．
[40] Schmidt—Darmert C。Umeno D，Arnold F H．Molecular breeding of
carotenoid biosynthetic pathways[J]．Nat Biotechnol，2000。18
(7)：750—753．
[41] Dixon RA，ChenF。GuoD，ParvathlK．The biosynthesis ofmono-
lig~ois：“am etabolic d”，or independent pathways to guaiacyl
and syringyl units?[J]．Phytochemistry，2001，57：1069—1084．
[42] Facchini P J，HuberAlanach K L，Taxi LW．Plant aromatic L—a—
mino acid deearboxylases：evolution，biochemistry，regulation，and
metabolic engineefing applications[J]．Phytochemistry，2000，54
(2)：121—38．
[43] 何水林，郑金贵，王晓峰，王燕华．许明，李斌莲，林明．植物次
生代谢：功能、调控及其基因工程[J]．应用与环境生物学报，
2002，8(5)：558—563．
[44] Coley P D，Massa M，Lovelock C E，Winter K．Efects of elevated
CO2 on foliar chemistry of sap lings of nine species of trop ical
tree[J3．OecoZog／a，2002，133：62—69．
[45] Gerson E A，Kdsey R G．Piperidine alkaloids in nitrogen fertil—
ized P／nusponderosa[J]．如u丌 of c^棚波 Eco／ogy，1999，25：
2O27—2O39．
[46] 李霞。阎秀峰，刘剑锋．氮素形态对黄檗幼苗三种生物碱含量
的影响[J]．生态学报，2005，25(9)：2159—2l64．
[47] Keler H，Csemic P，Ponchet M，Duerot P H，Back K，Chappel J．
维普资讯 http://www.cqvip.com
508 武 汉 植 物 学 研 究 第 25卷
Sesquiterpene cyclase is not a determining factor for elicitor and
pathogen—induced capsidiol accumulation in tobacco[J]．Planta，
1998，205：467—476．
[48] Hashimoto T，Nakajima K，Ongona G，Yameda Y．Two tropinone
reductases with distinct stereospecifcities from cultured roots of
Hyoscyamus niger[J]．PlantPhysiol，1992，100：836—845．
[49] Van der Fits L，Memelink J．ORCA3，a jasmonate—responsive trail—
seriptional regulator of plant primary and 8econda珂 metabolism
[J]．Sc／e／l~e，2000，289：295—297．
[50] Canel c，Lopes—Cardoso M I，Whitmer S，van der Fits L，van der
Heijden R，Hoge J H，Verpcorte R．Efects of over—expression of
strictosidine synthase and tryptophan decarboxylase on alkaloid
production by cel cultures of Catharan thusrosues[J]．Planta，
1998，205：414—419．
[51] Facchim P J．Alkaloid biosynthesis in plants：biochemistry，cel
biology，molecular regulation，and metabolic engineering applica-
~ons[J]．AnrmRevPlantPhysiolPlantMol Biol，2001，52：29—
66．
[52] Klaus M He=mann．The shikimate pathway[J]．Ann Rev Plant
PlantMolBio，1999，50：473—503．
[53] RaBmu~n S，Dixon R A．Transgene—mediated and elicitor—in—
duced perturbation of metabolic channeling at the entry po int into
the phenylpropanoid pathway[J]．Plant Cel，1999，11：1537—
1551．
[54] Burbulis I E，Winkel·Shireley B．Interactions among enzymes of
the Arabidopsis flavonoid biosynthestic pathway[J]．Proc Natl
Acad Sci USA，1999，96，12929—12934．
[55] He X Z，Dixon R A．Genetic manipulation of isoflvone 7-0一methyl
transferase enhances biosynthesis of 4-0．methylated isoflavonoid
Dhytoalex．ins and disease resistance in alfalfa[J]．Plant Cel，
2001，12：1689—1702．
[56] Dong X—Y，Braun E L，Grotewold E．Functional conservation of
plant secondary metabolic enz3rlnes revealed by complementation
of Arabldopsis flavonoid mutants with maize genes[J]．Plant
Physiol，2001，127：46—57．
[57] Winkel—Shirley B．Flavonoids biosynthesis：a colorful model for
genetics，biochemistry，cel biology，and biotechnology[J]．Plant
Phial，2001，126：485—493．
[58] Dixon RA．Namral productsand plant diseaseresistance[J]．Ⅳ口．
ture，2001，411(14)：843—847．
[59] 王莉，史玲玲，刘玉军．不同光质对长鞭红景天悬浮细胞生长
及苯丙氨酸解氨酶 PAL的影响[J]．林业科学，2007，43(6)：
49—51．
[60] Grotewold E．Chamberlin M，Snook M，Siame B，Bufer L，Swen—
sen J，Maddock S，Clair G St，Bowen B．Engineering secondary
metabolism in maize cels by ectopic expression of transcription
factors[J]．Plant Cel，1998，10：721—740．
[61] Hex Z，DixonRA．Geneticmanipulation ofisoflvone 7-0一methyl
transforaae enhances biosynthesis of 4-0一methylated isoflavonoid
phytoalexins and disease resistance in alfalfa[J]．Plant Cel，
2oo1。12：1689—1702．
[62] Dixon R A，Steele C L．Flavonoids and isoflavonoids：a gold mine
formetabolic engineering[J]．Trends Plant Sci，1999，4：394—
400．
[63] Liu c J，Deavou~BE，Richard S B，Ferer J L，Blount JW，Huh—
man D，Dixon R A。Noel J P．Structural basis for dual functional—
ity of isofiavonoid 0-methyltransferases in the evolution of plant
defense responses[J]．Plant Cel，2006，18(12)：3656—3669．
[64] Yu O，Jung W，slIi J，Croes R c，Fader G M，McGonigle B，OdeU
J T．Production of the isofiavones genistein and daidzein in rlon—
legume dicot and monocot tissues[J]．Plant Physiol，2000，124：
781— 793．
[65] Baucher M，Monties B，Van Montagu M，Boerjan W．Biosynthesis
and genetic engineering of liguin[J]．Cr／t Rev Plant＆f，1998，
17：125—197．
[66] Atanassova R，Favet N，Martz F，Chabbert B，Tollier M·T，Monties
B，Ffitig B，Legrand M．Altered lignin composition in transgenic
tobacco expressing 0一methyl transferase sequences in sense and
antisense orientation[J]．Plant J，1995，8：465—477．
维普资讯 http://www.cqvip.com