苯丙素类及其初级前体途径的代谢工程提高果实风味和花朵香气

文摘科学 2024-12-13 07:00 上海

植物产生多种特殊代谢物，这些代谢物在其整个生命周期中具有多种作用。其中一些代谢物是花和水果香气和风味的重要组成部分。不幸的是，增加产量和延长作物保质期的尝试通常与降低挥发性特殊代谢物的水平有关，因此会降低香气和风味。因此，有必要开发新品种，以保留其所需的性状，同时获得增强的气味和风味。代谢工程作为一种改善驯化作物挥发物排放特征的工具，具有很大的前景。本文综述了近年来利用苯基丙烷及其初级前体途径的代谢工程来增强花和水果的香气和风味的尝试。

植物合成多种特殊代谢物，这些代谢物在植物生命的各个方面发挥重要作用，如生长、发育、繁殖、防御和环境反应[1,2]。挥发性植物代谢物是在环境温度下具有高蒸气压的亲脂性低分子量化合物，已知通过花、水果、营养组织和根排放到环境中。这些挥发性代谢物可以吸引传粉者和种子传播，刺激或抑制信号级联反应，保护植物免受恶劣环境条件、草食动物或病原体的侵害[3,4,5]。它们还有助于形成花和水果的香气和风味[6,7,8]。特化代谢物的生物合成途径是从初级代谢途径进化而来的，可分为萜类、脂肪酸衍生物、碳水化合物衍生物和氨基酸衍生物等几类。芳香氨基酸(AAA)衍生的特化代谢物是一类主要的代谢物，主要来源于酪氨酸、色氨酸，尤其是苯丙氨酸。它们包括许多苯类和苯丙类挥发物，这些挥发物赋予花和水果增强的香气和风味(图1)[6,9,10]。

图1所示。植物苯丙素/苯类生物合成途径示意图。苯丙氨酸是通过莽草酸和芳香氨基酸生物合成途径在质体中合成的，是挥发性(右侧)和非挥发性(左侧)专门代谢物的前体。显示了具有代表性的挥发性化合物的化学结构，这些化合物有助于花和水果的香气和风味。虚线箭头表示几个酶促步骤。

多年来，作物育种计划主要侧重于获得生长迅速、产量高和收获后保质期长的性状。对保持或改善理想的香气和风味的关注较少，部分原因是种植者通常是根据产量而不是风味或香气来获得报酬的。此外，香气和风味是由多个基因控制的复杂性状，与产量或保质期不同，难以筛选。因此，现代育种方案往往导致驯化的作物产生较少挥发性代谢物，导致它们失去一些期望的香气和风味[7,9]。近年来，代谢工程成为促进或改变整个植物或特定器官中挥发性代谢物产生的实用工具。成功地操纵植物挥发性代谢谱需要了解相关的生物合成途径和所涉及的中间体和产物的鉴定。许多参与AAA合成的基因和酶，特别是苯丙氨酸衍生的挥发性化合物，现在已经在模式作物植物以及其他几种具有芳香果实和花朵的植物中得到鉴定[6,8]。此外，一些转录因子参与调节通过苯丙/苯类途径的通量已被鉴定[11,12]。然而，关于苯丙素的不同生物合成分支的调控以及它们之间的调控串扰，我们仍然知之甚少。

1. 通过AAA衍生途径的代谢工程增强香气和风味

为了改善花和水果的香气和风味，已经进行了一些尝试，通过对AAA衍生途径进行代谢调控(最近的全面综述见[6,8])。一种可能的策略是修改现有的途径或在途径中引入新的分支，例如通过过度表达现有的酶或直接导致挥发性合成的异源酶。或者，可以阻断竞争途径，从而将前体引导到所需途径。转录调控的操作也可用于改变AAA衍生挥发物的代谢谱。例如，在番茄中，氨基酸脱羧酶家族成员的组成性过表达导致果实中2-苯乙醛、2-苯乙醇和1-硝基-2-苯乙烷的含量增加了10倍[13]。氨基酸脱羧酶家族是苯丙氨酸衍生挥发物合成的第一步，也是速度限制步骤。在栽培的草莓果实中，碳通量从花青素色素的生物合成转向苯丙烯挥发物的生产[14,15]。这是通过下调查尔酮合成酶实现的，查尔酮合成酶是导致花青素生物合成的途径分支的关键酶，同时异源过表达罗勒丁香酚合成酶或矮牵牛花异丁香酚合成酶基因。因此，丁香酚、异丁香酚和相关化合物的水平与其气味阈值相比提高了几个数量级[14]。拟南芥在玫瑰花中引入花青素色素1 (PAP1)转录因子，导致苯丙素衍生的颜色和气味化合物水平增加，以及萜类气味化合物水平增加。嗅觉分析显示，蜜蜂和人类都能识别出气味挥发物的增强水平[16]。然而，许多这些代谢工程的结果表明，由于我们对生物合成途径的了解远未完成，这些修饰的结果往往难以预测。所需底物的可用性[17,18,19]或将其修饰成非挥发性形式[20]，可能会阻碍所需挥发性物的增强。此外，单个基因的修饰或添加并不一定会改变花或水果的整体风味和香气，可能需要对多个靶标进行修饰才能产生理想的效果[21]。

2. 利用AAA生物合成途径的代谢工程增强香气和风味

在过去的几年里，我们的实验室采用了一种不同的方法，即增加初级代谢物(AAAs)的数量，以增加碳通量，从而促进专门代谢物的代谢合成。该方法可用于研究与AAAs相关的初级和特化代谢途径之间的调节相互作用，以确定生物合成途径中的瓶颈，并研究不同途径分支之间的交叉调节。此外，对各种植物，特别是农作物产生的次生代谢物的阐明，由于这些代谢物中的许多积累到非常低的稳态水平，低于检测阈值，因此受到阻碍。提高转基因系中AAA衍生的特殊代谢物的产量，从而提高其水平，可以作为检测这些低丰度化合物的有价值的工具。

2.1. 靶向莽草酸通路(AroG*)

这三种AAAs的合成首先利用糖酵解和戊糖途径的产物，即磷酸烯醇丙酮酸和4-磷酸赤藓糖。莽草酸途径的第一个作用酶是3-脱氧双阿拉伯糖-庚糖酸7-磷酸合成酶(DAHPS)，它将这两种产物浓缩成3-脱氧双阿拉伯糖-庚糖酸7-磷酸(DAHP)。DAHP通过莽草酸和AAAs生物合成途径被引导形成AAA，而分支酸作为中间代谢物(图2)。因此，在调节AAA生物合成方面，莽草酸途径是初级和次级代谢之间的代谢桥梁[10]。为了研究提高前体水平对不同植物特定代谢物积累的影响，特别是对形成香气的挥发性化合物积累的影响，我们采用了代谢工程方法。利用细菌反馈不敏感的生物合成酶变体来绕过莽草酸和AAAs生物合成途径的酶反馈抑制环，并通过该途径增强碳通量。该方法首先应用于模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)[22,23]，然后应用于作物植物，以矮牵牛花作为芳香花的模型[24]，以及天然具有较长保质期但风味/香气值相对较低的番茄品种作为果实模型[25,26]。最近，这种方法也被应用于从红葡萄浆果中提取的细胞悬液中[27]。在转基因系中表达的一个异源细菌基因是突变的细菌AroG基因(AroG*)，它编码反馈不敏感的DAHPS(图2)。由于DAHPS是莽草酸途径的第一个关键酶，它凝聚磷酸烯醇丙酮酸和4-磷酸赤藓糖形成DAHP，它在将初级碳转化为所有三种AAAs并从它们转化为专门的代谢物中起着重要作用。事实上，在不同的植物中，AroG*基因的过度表达通常会导致AAAs的积累增加，并增加来自AAAs的特殊代谢物的积累。在矮牵牛中，AroG*在强启动子下的组构性过表达导致转基因植株花瓣中芳香族氨基酸苯丙氨酸水平显著升高，产生香味相关分子的各种芳香类苯-苯丙类挥发性化合物水平也显著提高[24]。这些特殊代谢物水平的变化导致矮牵牛花的花香明显增加，而花的寿命没有变化。有趣的是，其他结果表明，叶片中产生的苯丙氨酸可以通过茎运输到花中，并作为多种芳香代谢物额外形成的前体，产生诱人的气味[24]。与矮牵牛花植物类似，在果实成熟特异性启动子作用下，番茄果实中AroG*的表达影响初级代谢产物和专门代谢产物的水平[25]。转基因番茄果实中莽草酸和AAAs含量增加，多种挥发性和非挥发性苯丙素特化代谢物和类胡萝卜素含量增加。重要的是，由训练有素的小组成员进行的感官测试表明，与野生型番茄相比，成熟的转基因番茄果实具有更佳的花香[25]。在葡萄细胞悬液中，AroG*基因在组成启动子下过表达导致酪氨酸和苯丙氨酸的大量积累。由这些细胞自然合成的特殊代谢物，如与红葡萄健康诱导特性相关的白藜芦醇，被显著增强[27]。综上所述，这些结果表明，增加AAA合成途径的碳通量确实会增加AAAs及其前体的水平，以及专门代谢物的水平，并有助于增强香气。增强的确切轮廓取决于植物和基因表达的组织中现有的/活跃的代谢途径。因此，比较不同植物和组织的结果可以提供有价值的代谢信息。

图2 植物中莽草酸和芳香族氨基酸生物合成途径示意图。只描述了一些酶。虚线黑色箭头表示几个酶促步骤。红色箭头表示异源表达的细菌酶AroG*和PheA*携带的酶促步骤。3-脱氧-d-阿拉伯糖-2-庚糖酸7-磷酸合酶;CM, 分支酸变异酶;PDT，预苯酸脱水酶。

2.2 靶向苯丙氨酸生物合成(PheA*)

另一种在转基因植物中异源表达的细菌基因是突变的PheA基因(PheA*)，该基因编码一个反馈不敏感的双功能分支酸突变酶/预苯酸脱水酶基因。PheA基因通过预苯二酸盐将分支酸盐转化为苯丙酮酸盐，将碳通量引导到导致苯丙氨酸合成的AAAs途径的苯丙酮酸分支(图2)。因此，PheA*的表达有望将碳通量更特异性地引导到苯丙氨酸及其衍生的特殊代谢物[10]。PheA*基因在拟南芥幼苗中的表达导致苯丙氨酸水平升高[22]。有趣的是，它影响了来自所有三种AAAs的特殊代谢物的水平。PheA*过表达系苯丙氨酸和酪氨酸衍生的几种特化代谢物水平升高，但色氨酸衍生的几种特化代谢物水平降低。虽然这些变化的机制原因尚不清楚，但这些结果表明，分支酸的AAA生物合成通量与其代谢为各种专门代谢物之间存在调节交叉相互作用[22]。相比之下，在番茄果实中表达PheA*只会导致AAAs或任何已鉴定的挥发性代谢物的水平发生微小变化[26]，同时表达AroG*和PheA*基因的转基因植株的番茄果实的代谢谱主要受AroG*基因表达的影响。然而，表达这两个基因的番茄果实的香气属性是独特的，与表达单一基因的品系不同，这表明PheA*基因对整体代谢谱有贡献[26]。综上所述，这些最近的研究表明，增强从初级代谢到专门的次级代谢物的通量是一种很有前途的代谢工程方法，可以识别和可能消除专门代谢物生物合成的瓶颈，并增强花和水果的香气。最近一项关于拟南芥转录因子AtMYB12在番茄果实中表达结果的研究支持了这一结论[28]。AtMYB12是调节拟南芥黄酮醇生物合成的转录因子。番茄果实中AtMYB12的表达诱导了编码黄酮醇和羟基肉桂酸酯生物合成酶的基因的表达，导致苯丙素含量异常高，特别是黄酮醇和咖啡基醌酸[29]。有趣的是，AtMYB12还诱导了包括DAHPS在内的初级代谢酶编码基因的表达[28]。结果表明，表达AtMYB12的番茄中苯丙素含量的增加是次级代谢编码酶基因转录激活和碳通量通过初级代谢改变向AAA生物合成重编程的共同结果。因此，将莽草酸和AAAs生物合成途径的通量增强与下游酶或特定代谢物分支途径的额外操作相结合，进一步将通量导向特定的理想挥发性代谢物，可能会进一步改善香气和风味。

3. 结论

综上所述，利用代谢工程技术可以为不同植物种类的初级代谢向特化代谢的通道调节、不同代谢途径的交叉作用以及特化次生代谢物库提供新的信息。反过来，获得各种次生代谢物及其产生的代谢途径的信息可以促进基于知识的育种策略的发展。此外，代谢工程为刺激专门代谢物的产生和提高各种植物器官的质量开辟了一个新的场所。特别是，它可以克服不同作物的风味和香气与长保质期之间普遍存在的负相关关系，这是迄今为止传统育种难以解决的问题。

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原文链接：

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