植物萜烯類合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究進(jìn)展

韓 婷，杜 方

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西太谷030801）

萜烯類物質(zhì)是植物體內(nèi)一種重要次生代謝物，是花香揮發(fā)物的重要成分[1]，也是花器官引誘昆蟲授粉或自我保護(hù)[2]的主要物質(zhì)，具有較高的生態(tài)價(jià)值[3]。研究表明，萜烯類物質(zhì)具有藥用價(jià)值，如抗炎[4]、防腐殺菌[5]、抗瘧疾[6]、抑制腫瘤活性等。但植物體內(nèi)萜烯類化合物合成量較少，難以滿足藥用等需求，所以利用基因工程提高植物萜烯類物質(zhì)的產(chǎn)量很有必要。多數(shù)植物體內(nèi)萜烯類生物合成途徑已基本明確，其中有多個(gè)限速酶且限速步驟難以確定，通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子（Transcription factor，TF）激活或抑制萜類合成酶基因的表達(dá)可以促進(jìn)萜烯類物質(zhì)的合成，因此，萜烯類轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控機(jī)制成為研究熱點(diǎn)。本文綜述了不同萜類代謝的轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究現(xiàn)狀，旨在更好地促進(jìn)萜烯類物質(zhì)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究。

1 萜烯類物質(zhì)及相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子

萜烯簡(jiǎn)稱萜，廣泛存在于植物體內(nèi)，按萜類分子中包括異戊二烯單位的數(shù)目可分為單萜、倍半萜、二萜、二倍半萜、三萜、四萜、多萜，常見的萜類物質(zhì)如表1所示，單萜和倍半萜物質(zhì)較多，其他萜類較少。

表1 常見的萜類物質(zhì)分類

萜類化合物的合成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，主要是以異戊烯二磷酸作為底物，通過(guò)相應(yīng)的烯萜合酶的催化作用合成[7]。異戊烯基焦磷酸（isopentenyl pyrophosphate，IPP） 和 3，3- 二甲基丙烯基焦磷酸（dimethylallyl pyrophosphate，DMAPP）是類異戊二烯合成的底物，如圖1[8]所示，它們的生成主要通過(guò)2條代謝途徑：一條是發(fā)生在細(xì)胞溶質(zhì)中的甲羥戊酸（MVA）途徑，該途徑參與倍半萜、三萜等次生代謝產(chǎn)物的生物合成；另一條是發(fā)生在質(zhì)體中的2-C-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸（MEP）途徑，主要參與單萜、二萜等物質(zhì)的生物合成[9]。

萜類物質(zhì)的釋放部位包括葉片、根、花瓣和果實(shí)（表 2）。釋放量隨品種[10]、發(fā)育時(shí)期[11]、組織[12]等的不同而發(fā)生變化。萜類合成酶基因的表達(dá)量直接影響萜類物質(zhì)的釋放量，而萜類合成酶基因的表達(dá)又受到轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，通過(guò)激活[13]或抑制[14]萜類合成酶基因的表達(dá)可以影響萜類物質(zhì)的釋放。如今越來(lái)越多的研究由表及里、由淺入深，從影響表型的外部因素轉(zhuǎn)到內(nèi)部分子調(diào)控機(jī)制，轉(zhuǎn)錄因子已成為萜類研究的重要線索。

表2 植物萜類釋放相關(guān)信息

轉(zhuǎn)錄因子是能與基因5′端上游特定序列專一性結(jié)合，從而保證目的基因在特定的強(qiáng)度時(shí)空下表達(dá)蛋白質(zhì)。從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，TF由DNA結(jié)合區(qū)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)、寡聚化位點(diǎn)以及核定位信號(hào)共4個(gè)功能區(qū)域組成，通過(guò)這些功能區(qū)域與啟動(dòng)子順式元件結(jié)合或與其他轉(zhuǎn)錄因子的功能區(qū)域互作[29]。研究轉(zhuǎn)錄因子一般借助酵母單雙雜、煙草葉片的瞬時(shí)表達(dá)、Gus染色以及雙熒光素酶分析等試驗(yàn)進(jìn)行。常見的調(diào)控萜類合成機(jī)制的TF家族有6個(gè)，包括AP2/ERF、bHLH、WRKY、MYB、NAC和 bZIP[30]。

2 植物單萜轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究

研究發(fā)現(xiàn)，不同種類植物單萜受不同轉(zhuǎn)錄因子家族調(diào)控，表3給出了部分植物及其調(diào)控單萜的轉(zhuǎn)錄因子。PbbHLH4和PbbHLH6過(guò)表達(dá)可以增加蝴蝶蘭單萜物質(zhì)的釋放量，香味顯著增強(qiáng)[24]。bHLH類[31-34]、AP2/ERF 類[35-37]、WRKY 類[38]轉(zhuǎn)錄因子與單萜吲哚生物堿途徑相關(guān)基因啟動(dòng)子結(jié)合后可促進(jìn)長(zhǎng)春花長(zhǎng)春質(zhì)堿或者蛇根堿的合成。AP2/ERF、bHLH、MYB、NAC、ARR-B、ARF、MIKC-MADS、HDZIP、G2-like、C2H2和CPP共11個(gè)家族的轉(zhuǎn)錄因子[39]都可能影響佛手檸檬烯等單萜物質(zhì)的釋放量。CitERF71激活萜類合成酶基因CiTPS16表達(dá)從而促進(jìn)甜橙香葉醇的釋放[28]。LiMYB、LibZIP、LiGeBP、LiSBP-2、LiERF-1和LiERF-2等轉(zhuǎn)錄因子可能會(huì)影響薰衣草中單萜物質(zhì)芳樟醇和1，8-桉樹腦的合成[40]，而小葉章薰衣草中 AP2-EREBP、bHLH、WRKY、MYB、MADS等9個(gè)轉(zhuǎn)錄因子[41]可能與單萜芳樟醇和乙酸芳樟酯釋放相關(guān)，推測(cè)不同的品種間釋放的單萜物質(zhì)不同可能是受不同轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的結(jié)果。除了上述正調(diào)控因子之外，植物中也存在一些負(fù)調(diào)控因子，如對(duì)長(zhǎng)春花中AP2/ERF類轉(zhuǎn)錄因子CR1沉默后，可以促進(jìn)文多靈和蛇根堿的釋放量上升[42]；bZIP家族的轉(zhuǎn)錄因子CrGBF1和CrGBF1會(huì)抑制Str基因的表達(dá)，從而降低長(zhǎng)春堿的合成[14]。此外，大豆[43]和綠薄荷[44]中均存在MYB家族的抑制型轉(zhuǎn)錄因子，分別抑制長(zhǎng)春質(zhì)堿和松萜的含量。

表3 部分植物單萜調(diào)控中的轉(zhuǎn)錄因子

3 植物倍半萜轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究

青蒿素是倍半萜中的主要研究物質(zhì)，由于ABA、JA、SA均會(huì)提高青蒿素的含量，所以在其試驗(yàn)中一般與這些生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑相結(jié)合，共同分析基因功能。表4給出了調(diào)控倍半萜的轉(zhuǎn)錄因子，研究表明，包括 MYB 類[45-46]、AP2/ERF 類[47-49]、bZIP 類[50]、WRKY 類[51-52]、bHLH 類[53]、SPL 類[54]、NAC 類[55]等不同家族的轉(zhuǎn)錄因子能夠激活青蒿素合成途徑基因的表達(dá)，提高青蒿素的產(chǎn)量。MYB類轉(zhuǎn)錄因子與SICOS1基因共表達(dá)，可能會(huì)在和青蒿同為菊科的雪蓮木香烴內(nèi)酯合成途徑中發(fā)揮重要的作用，但具體調(diào)控作用仍有待進(jìn)一步研究[56]。R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子抑制MsGPPS表達(dá)從而抑制綠薄荷倍半萜的含量[44]。bHLH轉(zhuǎn)錄因子MYC2可以直接與TPS21和TPS11基因的啟動(dòng)子結(jié)合從而提高擬南芥倍半萜含量，尤其是（E）-β- 石竹烯的含量[57]。δ- 杜松烯合酶（δ-cadinene synthase，CAD1）是一種倍半萜環(huán)化酶，能合成棉酚，而轉(zhuǎn)錄因子GaWRKY1能結(jié)合CAD1啟動(dòng)子中的W-box調(diào)控棉花棉酚的含量[58]。過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子HAC1能夠增加畢氏菌株倍半萜物質(zhì)橙花醇的含量[59]。轉(zhuǎn)錄因子除了單獨(dú)作用，也可能存在不同家族轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行共同激活或抑制基因，從而調(diào)控植物萜烯類的釋放量。在細(xì)胞中過(guò)表達(dá)TwTGA1時(shí)增加了倍半萜吲哚生物堿，茉莉酸甲酯處理進(jìn)一步增強(qiáng)了生物堿的含量，但是對(duì)TwTGA1進(jìn)行RNA干擾，并沒(méi)有顯著影響生物堿的產(chǎn)量，說(shuō)明還存在其他具有重疊功能的TGA[60]，可能存在轉(zhuǎn)錄因子的共表達(dá)。

表4 部分植物倍半萜調(diào)控中的轉(zhuǎn)錄因子

4 植物二萜轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究

二萜中丹參酮與植保素的研究比較廣，表5給出了調(diào)控二萜合成的轉(zhuǎn)錄因子家族類型，MYB家族、WRKY家族以及bHLH家族影響丹參中的丹參酮的生成，過(guò)度表達(dá)SmbHLH10[61]、SmMYB9b[62]、SmWRKY2[63]、MYB36[64]會(huì)激活丹參酮生物合成途徑相關(guān)基因的上調(diào)表達(dá)，從而增加丹參毛狀根中丹參酮的含量,而SmbHLH3則會(huì)抑制丹參酮的產(chǎn)生[65]；bZIP轉(zhuǎn)錄因子OsTGAP1激活OsDXS3基因的表達(dá)，過(guò)表達(dá)后導(dǎo)致水稻二萜類植物抗毒素的超積累[66-67]；部分WRKY和bZIP家族的轉(zhuǎn)錄因子對(duì)植保素合成途徑也有抑制作用，過(guò)表達(dá)OsWRKY76[68]、OsbZIP79[69]可以減少水稻植保素的產(chǎn)生。對(duì)于二萜的轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究主要集中在bHLH類和WRKY類轉(zhuǎn)錄因子上，對(duì)于其他轉(zhuǎn)錄因子可能的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制研究較少。單萜和二萜主要是來(lái)自MEP途徑，在調(diào)控機(jī)制等方面存在相似性，如均存在bZIP家族的負(fù)調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子。

表5 部分植物二萜調(diào)控中的轉(zhuǎn)錄因子

5 植物三、四萜轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究

對(duì)于三萜、四萜的研究還不是非常深入，表6給出了調(diào)控植物三、四萜的轉(zhuǎn)錄因子。據(jù)報(bào)道，三、四萜合成途徑關(guān)鍵酶主要通過(guò)bHLH家族來(lái)進(jìn)行調(diào)控，bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子Bl和Bt均可以促進(jìn)Bi基因的表達(dá)從而分別在黃瓜葉子和果實(shí)中提高葫蘆素的含量[70]；bHLH家族的TSAR1和TSAR2通過(guò)直接與HMGR1啟動(dòng)子上的N-box結(jié)合來(lái)促進(jìn)蒺藜狀苜蓿三萜皂苷的合成[71]；BpbHLH9會(huì)促進(jìn)白樺中樺木酸的合成[72]；GubHLH3積極地調(diào)控大豆皂苷生物合成基因CYP93E3和CYP72A566，從而促進(jìn)烏拉爾甘草大豆皂苷等三萜及其皂苷生物合成[73]。四萜研究主要集中于類胡蘿卜素，R2R3-MYB類轉(zhuǎn)錄因子MYB7被發(fā)現(xiàn)激活A(yù)dLCY-b基因的啟動(dòng)子從而增加美味獼猴桃類胡蘿卜素的含量[74]，ERF轉(zhuǎn)錄因子SlAP2a[75]、SIERF6[76]減少了番茄類胡蘿卜素的積累量。三、四萜類物質(zhì)研究較其他萜類少，相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子種類較少，主要有MYB、AP2/ERF及bHLH這3類，且研究方向大多集中在果樹及蔬菜方面。

表6 部分植物三、四萜調(diào)控中的轉(zhuǎn)錄因子

6 結(jié)論

萜烯類物質(zhì)作為一種重要的植物次生代謝物，在植物生長(zhǎng)發(fā)育、醫(yī)學(xué)、化妝品、食品等方面都具有不可缺少的作用，但其天然合成量較少。目前主要借助基因工程提高萜烯類物質(zhì)的產(chǎn)量，但對(duì)其調(diào)控機(jī)制尚未明確，通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子來(lái)調(diào)節(jié)基因表達(dá)量從而加大萜烯類物質(zhì)合成量就顯得很有價(jià)值。本文從單萜、倍半萜、二萜、三四萜這4個(gè)方面綜述了其生物合成調(diào)控所需的轉(zhuǎn)錄因子。萜類物質(zhì)不同，調(diào)控其產(chǎn)量的轉(zhuǎn)錄因子各有不同，但基本都屬于同一轉(zhuǎn)錄因子家族，MYB、bHLH以及WRKY在萜類研究中最為常見。AP2/ERF類在萜烯類合成途徑中也起著重要的調(diào)控作用。萜類物質(zhì)的合成也會(huì)受轉(zhuǎn)錄因子共表達(dá)的調(diào)控。目前研究多集中在雙子葉植物萜類合成調(diào)控機(jī)制，且多集中于唇形科植物，可能是因?yàn)榇叫慰浦参锖蟹枷阌颓揖哂幸欢ǖ乃幱脙r(jià)值，但是對(duì)可能存在潛在開發(fā)價(jià)值的單子葉植物（如百合及蝴蝶蘭）研究甚少，且對(duì)轉(zhuǎn)錄因子作用強(qiáng)度的鑒定也不透徹。

隨著植物基因組學(xué)的發(fā)展以及研究體系的逐漸完善，越來(lái)越多的萜烯合成途徑相關(guān)基因及轉(zhuǎn)錄因子將被鑒定，萜烯類物質(zhì)所延伸的領(lǐng)域勢(shì)必越來(lái)越廣。