植物GGPPS基因研究進展

唐美瓊　趙以民　胡營

摘要：香葉基香葉基焦磷酸合酶（GGPPS）是植物萜類物質合成的一個重要調節(jié)靶點。目前已經在多種植物中開展了該基因的克隆和功能分析。對GGPPS基因及蛋白結構和生物學功能的最新研究進展進行了綜述，為其在植物遺傳育種方面的應用提供參考。

關鍵詞：GGPPS；基因；研究進展

中圖分類號：Q943.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）19-3601-02

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.19.001

Abstract： Geranylgeranyl pyrophosphate synthase（GGPPS） is an important target site for regulating isoprenoids biosynthesis in plant cells. Cloning and functional analysis of this gene has been carried out in many plants. The gene structures and biological function of GGPPS were reviewed to provide a basis for plant breeding.

Key words： GGPPS； gene； research progress

香葉基香葉基焦磷酸合酶（Geranylgeranyl pyrophosphate synthase，GGPPS），又稱牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸合酶，催化法尼基焦磷酸和異物烯基焦磷酸縮合生成香葉基香葉基焦磷酸，而后參與類胡蘿卜素、赤霉素、萜類化合物等物質的合成，是植物初生和次生代謝途徑中的關鍵酶之一[1]。迄今，有多種植物的GGPPS已經被深入研究并取得了很大的進展，但關于GGPPS基因及蛋白結構和生物學功能方面的系統(tǒng)性報道較少。因此，本研究通過文獻報道結合本實驗室的工作對GGPPS基因及蛋白結構和生物學功能研究進行綜述，以期為其在植物育種方面的應用提供參考。

1 GGPPS基因及蛋白結構

迄今已在擬南芥[2]、丹參[3]、銀杏[4]、番茄[5]、辣椒[6]、長春花[7]、野甘草[1]等多種植物中克隆到GGPPS基因。各植物的同源序列顯示出較高的一致性，核苷酸水平上序列間的一致性在60%左右，氨基酸水平上序列間的一致性在75%左右。GGPPS在許多植物中是一個小的基因家族，如擬南芥的AtGGPPS可編碼定位于葉綠體、內質網、線粒體的5個同工酶和1個相關蛋白；丹參中發(fā)現3條具有特異時空表達的GGPPS基因[8]。GGPPS基因的編碼區(qū)序列長1.0～1.4 kb，多數GGPPS基因含有1個內含子序列。系統(tǒng)進化分析表明，植物GGPPS基因的分子進化樹分為被子植物和裸子植物兩大類。

依據已報道的核酸序列編碼的氨基酸序列，GGPPS合酶具有異戊烯基轉移酶的特征性天門冬氨酸富集區(qū)FARM（First aspartate rich motif）及SARM（Second aspartate rich motif），特征序列為“DDxx（xx）D”（“D”代表天門冬氨酸，“x”代表任意氨基酸），這2個特征區(qū)域位于GGPPS疏水空腔的中央，是底物結合和催化的關鍵位點[6，9]。GGPPS蛋白主要由螺旋和不規(guī)則卷曲組成。閔丹丹等[10]從三七中克隆出一條GGPPS基因序列，對其編碼的氨基酸進行分析后發(fā)現，該蛋白序列具有典型的異戊烯基焦磷酸合酶結構域，但其特征序列SARM區(qū)為“DDVLE”，最后一位為谷氨酸（E），不同于一般植物的天門冬氨酸（D），這種差異可能與其物種特異性的酶活性特征、分子功能和生物學作用有關。

2 GGPPS基因的生物學功能

植物不同細胞器中GGPPS編碼蛋白可能通過特定的GGPPS合成途徑而表現不同的作用。以目前了解最多的雙子葉植物擬南芥為例，GGPPS1和GGPPS3蛋白定位于葉綠體，主要負責合成葉綠素、類胡蘿卜素、赤霉素所需的前體GGPP；GGPPS2和GGPPS4蛋白在內質網提供質體醌側鏈；GGPPS6蛋白提供線粒體中泛醌側鏈前體。即使蛋白的亞細胞定位一樣，GGPP合酶仍具有時空組織表達特異性[11]。

2.1 參與植物的生長發(fā)育

植物的生長發(fā)育過程既需要有機物質和無機物質作為細胞生命活動的結構物質和營養(yǎng)物質，也需要植物生長物質的調節(jié)。GGPP參與葉綠素、類胡蘿卜素、赤霉素等產物的合成，對植物的光合作用、生長發(fā)育和產品品質等有重要影響。從西瓜中克隆獲得的GGPPS在紅、粉、黃、白4種不同瓤色品種西瓜果實發(fā)育過程中的表達不同，在紅瓤西瓜中的表達量最高，白瓤西瓜中最低，認為可能對西瓜果實中類胡蘿卜素的積累有重要影響[12]。過表達枸杞中LcGGPS2可以提高植物中類胡蘿卜素含量，并可以提高植物對UV-BF輻射的耐受性[13]。將番茄LeGGPPS2基因轉入煙草，能增強弱光下煙草的光合性能，促進次生代謝產物向根中積累[14]。張蕾[15]通過酵母互補試驗確證了丹參中GGPS1的生化功能，推測GGPS1在丹參中的主要作用之一是合成葉綠素和類胡蘿卜素，而不參與赤霉素和丹參酮類物質的合成。Zhu等[16]發(fā)現在植物Gentiana lutea中的GGPPS特異性表達于花期，且隨著花瓣的發(fā)育，其活性逐漸降低。

2.2 參與植物藥用活性成分生物合成

已知的以GGPP為前體的具有藥用價值的化合物有紫杉醇、銀杏酚、丹參酮等。通過培養(yǎng)Taxus baccata懸浮細胞培養(yǎng)體系發(fā)現，GGPPS的表達受茉莉酸甲酯誘導，且隨著GGPPS活性的提高，紫杉烷在細胞中快速積累，證實GGPPS是決定紅豆杉合成紫杉醇類物質的關鍵酶[17，18]。Engels等[19]采用合成生物學的手段將紫杉烯合酶轉入宿主菌釀酒酵母中，引入GGPP合酶的同工酶以提高宿主菌中紫杉二烯前體GGPP的合成量，同時抑制宿主菌中類固醇競爭途徑，獲得了高表達紫杉烯的工程菌。Dai等[20]通過在酵母細胞中快速組裝丹參酮二烯生物合成途徑，對編碼SmCPS、SmKSL、法尼基焦磷酸合酶、GGPP合酶和甲羥戊酸還原酶等5個蛋白的基因進行操作，最優(yōu)工程菌經發(fā)酵培養(yǎng)后次丹參酮二烯產量達到365 mg/L。endprint

3 問題與展望

隨著植物分子生物學的不斷發(fā)展，越來越多植物中GGPPS基因被克隆，對GGPPS基因的功能也有了更多的了解，但仍然存在一定的不足。如大部分GGPPS基因的功能處于推測階段，缺乏直接的證據，并且大多功能鑒定實驗都是在實驗室內進行，這對不同實驗條件下（大田、室內）鑒定的功能強弱可能也不同。GGPP作為赤霉素、類胡蘿卜素、二萜類化合物等諸多化合物共同前體，在植物中具有重要作用， 對代謝分支點GGPPS合酶的深入研究可以了解植物中相關化合物的碳硫分配情況，對GGPPS基因的功能和作用機制進行解析，可以為植物的遺傳改良育種提供基因資源。

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