植物花香物質(zhì)代謝的研究進(jìn)展

金蕾 楊美玲 王紀(jì)忠

摘要：花香是植物的重要性狀，是很多植物生長(zhǎng)過程中不可缺少的組成成分。香氣不僅關(guān)系到植物的授粉特性，而且可以提高植物的觀賞性。同時(shí)，花香也是植物抵御各種生物、非生物脅迫的重要機(jī)制。本文對(duì)植物花香的檢測(cè)，控制花香物質(zhì)合成的種類及成分和目前植物花香基因工程研究進(jìn)展做了簡(jiǎn)要綜述，并對(duì)今后的植物花香基因工程研究進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：花香;物質(zhì)代謝;基因工程

花香是植物的重要性狀之一，來源于植物體內(nèi)具有揮發(fā)性的化合物，通常是一些親脂性液體[1]。這些物質(zhì)不僅參與植物體內(nèi)各種次生代謝的重要物質(zhì)，還是植物抵御外來生物侵略的一種方式，也可以吸引昆蟲授粉，提高種族的生殖繁衍和適應(yīng)性。相對(duì)于花型、花色等植物性狀，花香的研究相對(duì)滯后[2]。直到近幾年，隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)花香的生物合成途徑及其物質(zhì)成分研究的逐漸深入，花香基因工程的研究才成為當(dāng)前植物研究的一個(gè)新熱點(diǎn)。本文綜合了近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)花香揮發(fā)物主要成分及成分的檢測(cè)、鑒定、影響因素等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概述，并對(duì)今后的花香研究進(jìn)行展望。

1 花香揮發(fā)物的檢測(cè)

由于香氣關(guān)系到植物的授粉特性，其合成途徑也比較復(fù)雜。因此檢測(cè)花香揮發(fā)物成分對(duì)植物基因工程和提高植物觀賞性的研究具有重要意義。現(xiàn)已出現(xiàn)很多種方法用于檢測(cè)植物花香混合物，主要檢測(cè)方法是通過萃取法、蒸餾法、頂空固相微萃取一氣相色譜一質(zhì)譜聯(lián)檢（HS-SPME-GS-MS）技術(shù)和電子鼻技術(shù)[3]。但是萃取法易萃取到一些不需要的雜質(zhì)，還可能導(dǎo)致?lián)]發(fā)物的流失;蒸餾法的高溫會(huì)破壞植物結(jié)構(gòu)，不適用于花香物質(zhì)的采集。目前最常用的是GS-MS技術(shù)、電子鼻技術(shù)。紅外光譜（IR）和核磁共振（NMR）[4]也常用于檢測(cè)花香揮發(fā)物。目前為止，已經(jīng)從991種植物中鑒定出超過約2000種揮發(fā)性芳香物質(zhì)[5]。

2 花香揮發(fā)物的種類及主要成分

植物花香化合物是由許多低分子量揮發(fā)性分子組成的化合物，是花朵釋放的次生代謝產(chǎn)物。花香揮發(fā)物主要由烷烴類、烯類、醇類、酮類、醛類、醚類、酯類及芳香族化合物等組成[6，7]，按照生物合成途徑又可將這些化合物分為萜烯類、苯丙酸類l苯環(huán)型化合物和脂肪族化合物等3大類。

2.1 萜烯類化合物

萜烯類化合物大多存在高等植物及某些真核生物中，是植物次生代謝產(chǎn)物，在自然界中廣泛分布。它是由2種碳單元異戊烯二磷酸（IPP）和二甲基烯丙基二磷酸酯（DMAPP）縮合物[8，9]衍生而成的。最常見的是單萜烯和倍半萜烯，如芳樟醇、石竹烯、β-羅勒烯、橙花叔醇、月桂烯、雪松烯等[10]。芳樟醇合成酶基因是第一個(gè)被克隆報(bào)導(dǎo)的花香基因，Pichersky等首先從仙女扇中分離純化得到芳樟醇合成酶，而后Dudareva等[9]從中克隆得到其全長(zhǎng)cDNA。施婷婷等[11]對(duì)桂花品花香揮發(fā)物進(jìn)行了主成分分析，發(fā)現(xiàn)β-紫羅蘭酮是金桂初花期和盛花期產(chǎn)生的主要化合物。劉倩等發(fā)現(xiàn)（E）-β-羅勒烯、月桂烯、檸檬烯和芳樟醇等萜烯類物質(zhì)[12]為玉簪屬植物花香的主要成分，其特征香氣物質(zhì)是芳樟醇[13]。胡荻等[14]發(fā)現(xiàn)小報(bào)春的主要香氣成分為α-松油醇、芳樟醇和水楊酸甲酯。

2.2 苯丙酸類/苯環(huán)型化合物

合成植物花中苯丙酸類/苯環(huán)型化合物的研究始于 20世紀(jì)90年代末。這類化合物的生物合成不僅受花朵發(fā)育的時(shí)空調(diào)節(jié)，還受生物鐘及前體物質(zhì)生物合成的調(diào)節(jié)[15]。苯類/苯丙酸類化合物主要通過莽草酸為前體合成，在一些酶的催化作用下形成反式肉桂酸，然后經(jīng)過甲基轉(zhuǎn)移酶和酞基轉(zhuǎn)移酶的催化而甲基化和酞化，最終形成一系列花香揮發(fā)物。研究發(fā)現(xiàn)，月季中苯乙醇的含量超過其總花香揮發(fā)物總組分的50%[16-18]。Verdonk等[19]首次以矮牽?！甅itchell為材料，發(fā)現(xiàn)其含量在盛花期最多，之后隨著時(shí)間的推移逐漸下降。研究還得出苯丙酸類物質(zhì)為矮牽?；ㄏ愕闹饕煞郑渲斜郊姿崞S酯和苯甲酸苯乙酯在矮牽牛的花香成分中占有相對(duì)較多的含量[19-21]，另也有少量的半萜類。仙女扇SAMT基因和金魚草BAMT基因與Pott等從野生煙草中[22]克隆出的苯甲酸/水楊酸羧基位甲基轉(zhuǎn)移（BSMT）基因的氨基酸序列都有一定的同源性。

2.3 脂肪族化合物

脂肪族化合物也是花香揮發(fā)物的重要組成成分。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)香石竹的花香貢獻(xiàn)較大的成分之一是（2E）-己烯醛[23]。金桂中含有乙酸-4-己烯酯和γ-癸內(nèi)酯等，盛開的玫瑰花中含有較多的乙酸正己酯脂肪族化合物[24，25]。

3 花香基因工程研究進(jìn)展

通常認(rèn)為，花香的主要揮發(fā)部位是花瓣或雄蕊，花香揮發(fā)物的差異性不僅體現(xiàn)在品種上。由于受到各自基因型的調(diào)控，不同植物散發(fā)出的揮發(fā)物種類的含量或比例不同，都會(huì)導(dǎo)致其最終形成的香味不同[5，10]。同種植物的不同器官的化合物和含量也會(huì)有差異。

3.1 花香的相關(guān)基因

花香揮發(fā)物大多是由與其相關(guān)的酶催化而成，從而形成各種不同的香氣。目前對(duì)花香產(chǎn)物合成途徑以及編碼這些合成酶的研究已經(jīng)逐漸明晰。

高等植物莽草酸合成途徑中的關(guān)鍵酶之一5-烯醇丙酮酞莽草酸-3-磷酸合成酶（EPSPS）具有組織特異性表達(dá)，還和花的發(fā)育密切相關(guān)。通過與諸多花香合成相關(guān)基因互作的同時(shí)來調(diào)控花香物質(zhì)的生物合成和釋放。研究發(fā)現(xiàn)矮牽?；ㄏ戕D(zhuǎn)錄因子OD01能夠能激活EPSPS基因的表達(dá)[19]。

Dudareva等[26]從金魚草的花瓣cDNA文庫中分離克隆了P-羅勒烯合成酶基因的全長(zhǎng)cDNA，其編碼的氨基酸序列與同屬萜烯合成酶家族的月桂烯合成酶基因具有92%的同源性Nagegowda等in采用功能基因組學(xué)方法，橙花叔醇和芳樟醇合成酶基因（AmNES/LIS-1 &AmNES/LIS-2）是金魚草2個(gè)具有95%同源性的基因，研究發(fā)現(xiàn)[26]，AmNES/LIS-1在細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)產(chǎn)生橙花叔醇，AmNES/LIS-2在質(zhì)體中表達(dá)產(chǎn)生芳樟醇。

3.2 花香產(chǎn)物調(diào)控

大多數(shù)植物花香揮發(fā)物主要在花瓣及其他器官的表皮細(xì)胞中合成。從梅花中克隆出的PmOM丁基因主要在雄蕊、花瓣等花器官[28]中，營(yíng)養(yǎng)器官組織如根、莖表達(dá)較少;相關(guān)研究表明，仙女扇的LIS基因和I EMT基因在其表皮細(xì)胞中特異表達(dá)[29]，IEMT中mRNA的表達(dá)與其轉(zhuǎn)移酶活性呈正相關(guān)，BAM丁基因在金魚草花的花筒表皮細(xì)胞中表達(dá)量很少，而在上下裂片表皮層的錐形細(xì)胞中進(jìn)行特異表達(dá)[30];Granero等[31]對(duì)3個(gè)南瓜品種花朵的不同部位的揮發(fā)物進(jìn)行主成分分析后，指出南瓜花的花香揮發(fā)物釋放主要場(chǎng)所是蜜腺。

植物花香的散發(fā)也受到時(shí)間的調(diào)控，隨時(shí)間的改變，其花香揮發(fā)物的活性也會(huì)有相應(yīng)的變化。從多花水仙品種中克隆出的HDS基因在初花期與盛花期的表達(dá)存在明顯差異，盛花期表達(dá)量顯著高于初花期[32]，推測(cè)多花水仙香氣的合成可能與此有關(guān);金桂的香氣釋放量在不同開花階段的變化情況也有一定差別，而有些揮發(fā)性的香氣成分只在某一個(gè)階段出現(xiàn)，如（E）-2-甲基-2-丁烯酸乙酯只能在香眼期檢測(cè)到，（E，Z）-2，6-二甲基-2，4，6-辛三烯僅出現(xiàn)在盛花期，對(duì)異丙基苯甲醛、5-（1-羥基-1-甲基乙基）-2-甲基-2-環(huán)己烯、環(huán)氧芳樟醇等香氣物質(zhì)只在末花期檢測(cè)到[11]。

4 展望

最近幾年，隨著對(duì)植物研究的逐漸深入，在花香的成分及其代謝途徑等方面也取得了重要的進(jìn)展，但仍然還有一些問題需要進(jìn)一步的研究。目前，植物花香的相關(guān)基因?yàn)榱耸蛊浔磉_(dá)產(chǎn)物快速揮發(fā)到空氣中，多存在于細(xì)胞表皮中，植物的其它部位是否也會(huì)產(chǎn)生花香有待進(jìn)一步研究。隨著花香基因工程的發(fā)展，植物花香揮發(fā)物的調(diào)控是否可以利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)，使花香更加濃郁并且進(jìn)一步提高植物的授粉率及其防御能力。此外，花香的某些特定性狀及其成分與花香和花色以及昆蟲授粉的關(guān)系都需要進(jìn)行更加深入的研究。

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