植物三萜皂苷調(diào)控昆蟲(chóng)抗性及其生物合成調(diào)控的研究進(jìn)展

潘磊 　黃蕊　閆樂(lè)樂(lè)　曾文芳　魯振華　段文宜　孫世航　崔國(guó)朝　牛良　王志強(qiáng)

摘要：植物生長(zhǎng)過(guò)程中，時(shí)刻面對(duì)植食性昆蟲(chóng)的威脅，如營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)以及生殖生長(zhǎng)、葉子和嫩枝。昆蟲(chóng)對(duì)于寄主植物的直接傷害來(lái)自對(duì)寄主植物取食，分為吸取植物汁液和咀嚼植物組織2種方式。此外，昆蟲(chóng)取食會(huì)對(duì)植物造成多種疾病，從而導(dǎo)致間接植物受損。為應(yīng)對(duì)昆蟲(chóng)的攻擊，植物會(huì)產(chǎn)生一些生物活性化合物（包括三萜皂苷），以增強(qiáng)它們對(duì)食草昆蟲(chóng)的防御能力。萜類是植物代謝物中種類最多的一類，在植物生長(zhǎng)和發(fā)育中，它們被廣泛用于維持各種基本功能，很多數(shù)萜類化合物，如三萜皂苷，在植物應(yīng)對(duì)非生物和生物脅迫過(guò)程中行使特定的保護(hù)作用。本文闡述了植物中三萜皂苷代謝產(chǎn)物在抵御昆蟲(chóng)危害過(guò)程中的最重要功能，并概述了對(duì)三萜皂苷類代謝途徑、調(diào)節(jié)和多樣化理解的最新進(jìn)展。因此，植物生物活性化合物的研究有助于不同生態(tài)系統(tǒng)中的害蟲(chóng)綜合治理。

關(guān)鍵詞：害蟲(chóng)；三萜皂苷；植物防御；生物合成；調(diào)控；研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：S433.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2023）20-0001-08

害蟲(chóng)取食嚴(yán)重威脅著作物生產(chǎn)，每年蟲(chóng)害導(dǎo)致的糧食作物減產(chǎn)高達(dá)總產(chǎn)量的30%［1］。植食性昆蟲(chóng)通過(guò)吮吸汁液、咀嚼取食或鉆入作物營(yíng)養(yǎng)器官等不同方式對(duì)寄主植物造成傷害，化學(xué)殺蟲(chóng)劑被廣泛使用以控制農(nóng)作物害蟲(chóng)。但化學(xué)殺蟲(chóng)劑降解慢、毒性高，并會(huì)對(duì)有害昆蟲(chóng)天敵和傳粉昆蟲(chóng)造成毒害［2］；因其對(duì)非目標(biāo)生物、環(huán)境和人類健康的巨大潛在風(fēng)險(xiǎn)，許多劇毒的化學(xué)殺蟲(chóng)劑已被禁用。尋找植物來(lái)源的次生代謝產(chǎn)物是生物農(nóng)藥開(kāi)發(fā)、健康和可持續(xù)農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要手段。植物能夠產(chǎn)生許多次級(jí)代謝產(chǎn)物，包括生物堿、糖苷、萜類化合物、皂苷和類固醇［3］，其中，許多天然產(chǎn)物可幫助植物應(yīng)對(duì)植食性昆蟲(chóng)或自然界的病原體［4］。三萜皂苷是植物來(lái)源一類重要次級(jí)代謝產(chǎn)物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)特征為三萜或甾體苷元和一個(gè)或多個(gè)糖鏈，見(jiàn)圖1［3］。它們是人類重要的藥物、香料物質(zhì)和化妝品添加劑的來(lái)源［5］。同時(shí)，由于三萜皂苷對(duì)細(xì)菌、真菌和昆蟲(chóng)的抗性特性，這些物質(zhì)通常被認(rèn)為在植物防御中發(fā)揮重要作用［6］。本研究對(duì)三萜皂苷化合物介導(dǎo)的植食性昆蟲(chóng)抗性的特性的影響進(jìn)行了綜述，并對(duì)三萜皂苷的生物合成途徑、抗蟲(chóng)機(jī)制、化合物種類多樣性、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、關(guān)鍵調(diào)控基因特征規(guī)律的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納與總結(jié)，以期為未來(lái)植物抗蟲(chóng)機(jī)制研究、生物農(nóng)藥的研發(fā)及害蟲(chóng)的綠色防控提供一定的借鑒作用和理論指導(dǎo)。

1 植物三萜皂苷調(diào)控植食性昆蟲(chóng)抗性的研究進(jìn)展

植物體內(nèi)合成的具有驅(qū)蟲(chóng)或殺蟲(chóng)活性的次生代謝物多是萜類化合物，其次是生物堿和酚類化合物，?；呛颓柢盏膱?bào)道較少，但也很重要［7］。植物界中萜類化合物種類眾多，是許多植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的基礎(chǔ)，從小分子揮發(fā)物（如單萜和倍半萜）到激素（如細(xì)胞分裂素、脫落酸、赤霉素）和細(xì)胞結(jié)構(gòu)成分如色素（如類胡蘿卜素）都屬于萜類。所有萜類化合物均來(lái)源于相同的異戊二烯五碳結(jié)構(gòu)單元：異戊烯基焦磷酸（isopentenyl diphosphate，IPP）和其異構(gòu)體二甲基烯丙基焦磷酸（dimethylallyl diphosphate，DMAPP）。根據(jù)五碳結(jié)構(gòu)單元的組成數(shù)目，萜類化合物可分為揮發(fā)性單萜（C10）、倍半萜（C15），非揮發(fā)性二萜（C20）、三萜（C30）、四萜（C40）和多萜（>C40）等類型［8］。眾多研究表明，植物中單萜、二萜和三萜在應(yīng)對(duì)昆蟲(chóng)威脅時(shí)發(fā)揮了重要作用，但萜類化學(xué)物介導(dǎo)昆蟲(chóng)抗性的例子更多來(lái)源于三萜皂苷。

三萜類化合物因其在植物中作為植物激素（如油菜甾醇）的調(diào)節(jié)作用而廣為人知，此外，它還是重要的化學(xué)防御物質(zhì)。如葫蘆科植物中常見(jiàn)的三萜類次生代謝物葫蘆素影響了寄主植物昆蟲(chóng)的抗性，葫蘆含有的三萜葫蘆素C使其擁有了對(duì)蜘蛛螨的抗性［9］。三萜皂苷是糖基化的三萜化合物，易溶于水，廣泛參與植物對(duì)植物性昆蟲(chóng)的防御過(guò)程［6］。通過(guò)在人工飼料添加的方式證實(shí)，甾體皂苷（luciamin）對(duì)麥蚜有毒性，導(dǎo)致蚜蟲(chóng)的存活率不斷下降，是第一種被證實(shí)具有殺蟲(chóng)功效的皂苷［10］。皂莢樹(shù)種提取的皂苷能夠抑制攝食，以干擾害蟲(chóng)發(fā)育，并對(duì)甲蟲(chóng)幼蟲(chóng)和蚜蟲(chóng)若蟲(chóng)產(chǎn)生毒性作用，以皂苷處理過(guò)的葉片為食的幼蟲(chóng)表現(xiàn)出食物消耗較少和死亡率高［11］。韭菜蛾是韭菜、洋蔥和大蒜等蔬菜作物的重要害蟲(chóng)，研究發(fā)現(xiàn)從大蔥干花和葉中分離出的化合物對(duì)韭菜蛾生長(zhǎng)和發(fā)育具有不利影響，該活性化合物被分類為甾體皂苷［12］。十字花科植物山芥（Barbarea vulgaris）對(duì)跳蚤甲蟲(chóng)（Phylloreta nemorum）和小菜蛾（Plutella xylostella）具有良好的抗性，研究表明，常春藤皂苷（hederagenin）是調(diào)控山芥跳蚤甲蟲(chóng)和小菜蛾抗性的主要原因，皂苷的殺蟲(chóng)行為取決于苷元結(jié)構(gòu)和糖鏈的存在，常春藤苷元上糖鏈部分的去除導(dǎo)致抗蟲(chóng)生物活性損失［13-15］。草地貪夜蛾幼蟲(chóng)又稱秋黏蟲(chóng)，是一種起源于美洲的農(nóng)業(yè)重大害蟲(chóng)，破壞性極強(qiáng)，許多研究均報(bào)道了皂苷對(duì)該害蟲(chóng)的殺蟲(chóng)作用［16］。夜香木（Cestrum nocturnum）屬茄科植物，原產(chǎn)地為熱帶美洲及西印度，夜間開(kāi)花、花期持久、具有香氣，是一種觀賞植物。該植物葉片中皂苷提取物對(duì)一些昆蟲(chóng)，如草地貪夜蛾和雜擬谷盜（Tribolium confusum）具有毒性，這種毒性可能是由皂苷的細(xì)胞毒性作用所致，組織學(xué)研究表明皂苷的作用位置在昆蟲(chóng)的脂肪體和腸道［17］。油茶是食用油的來(lái)源之一，這種油富含多種皂苷活性成分。茶皂素（tea saponin）是從茶樹(shù)種子中提取的，研究發(fā)現(xiàn)，茶皂素對(duì)小菜蛾幼蟲(chóng)和蚜蟲(chóng)具有殺蟲(chóng)活性［18］。茶葉是中國(guó)最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，茶尺蠖是茶葉種植中的重要害蟲(chóng)，對(duì)茶樹(shù)造成嚴(yán)重?fù)p害，降低了茶葉產(chǎn)量和質(zhì)量。研究表明，茶皂素對(duì)鱗翅目害蟲(chóng)具有良好的殺蟲(chóng)活性［19］。

2 植物三萜皂苷的生物合成過(guò)程

萜類生物合成的異戊二烯五碳結(jié)構(gòu)單元異戊烯基焦磷酸（isopentenyl pyrophosphate，IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（dimethylallyl pyrophosphate，DMAPP）均來(lái)源于甲羥戊酸（mevalonate，MVA）途徑和質(zhì)體中的2-C-甲基-D-赤蘚醇-4-磷酸（2-C-methl-D-erythritol-4-phospate，MEP）途徑。MVA途徑包括6個(gè)酶促步驟，涉及乙酰輔酶A 酰基轉(zhuǎn)移酶（acetyl-CoA C-acetyltransferase，AACT）、羥甲基戊二酰輔酶A合酶（3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA synthase，HMGS）、羥甲基戊二酰輔酶A還原酶（3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase，HMGR）、甲羥戊酸激酶（MVA kinase，MVK）、二氧磷基甲羥戊酸激酶（phospho-MVA kinase，PMK）和甲羥戊酸焦磷酸脫羧酶（diphospho-MVA decarboxylase，MPDC）［20］。MVA途徑將乙酰輔酶A轉(zhuǎn)化為IPP，該途徑定位在細(xì)胞質(zhì)［21］。MEP途徑包括7個(gè)酶促步驟：1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶（1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase，DXS）、1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸還原異構(gòu)酶（1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase，DXR）、2-C-甲基-d-赤蘚糖醇4-磷酸胞苷酰轉(zhuǎn)移酶（2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate cytidylyltransferase，MCT）、4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤蘚糖激酶（4-cytidine 5-diphospho-2-C-methyl-D-erythritol kinase，CMK）、2-甲基赤蘚糖-2，4-環(huán)二磷酸合酶（2-C-methyl-D-erythritol 2，4-cyclodiphosphate synthase，MDS）、1-羥基-2-甲基-2-（E）-丁烯基-4-二磷酸合酶（4-hydroxy-3-methylbut-2-enyl-diphosphate synthase，HDS）和1-羥基-2-甲基-2-（E）-丁烯基-4-二磷酸還原酶（4-hydroxy-3-methylbut-2-enyl diphosphate reductase，HDR）［22］。該途徑始于丙酮酸和甘油醛-3-磷酸，同樣終于IPP和DMAPP［20］。

MVA途徑形成的IPP和DMAPP主要用于倍半萜、多萜、植物甾醇、油菜甾醇和三萜的合成，MEP途徑的IPP和DMAPP優(yōu)先用于半萜、單萜、雙萜、倍萜、四萜（類胡蘿卜素等）、植物激素如細(xì)胞分裂素、赤霉素的生成［20］。盡管MVA和MEP途徑在不同的亞細(xì)胞區(qū)域中獨(dú)立運(yùn)行，但2種通路之間的代謝串?dāng)_［23］。而后異戊二烯前體在萜類合酶（terpene synthase，TPS）的作用下產(chǎn)生了一系列結(jié)構(gòu)多樣的線性或環(huán)狀萜類。TPS由一個(gè)中等大小的基因家族編碼，通常有30～100個(gè)成員［24］。已知半萜（C5）、單萜（C10）、倍半萜（C15）、二萜（C20）和二倍半萜（C25）是由Ⅰ類和Ⅱ類TPS催化合成，但大多數(shù)三萜（C30）和四萜（C40）僅由Ⅱ類TPS體催化合成。基于序列相關(guān)性和功能評(píng)估，植物TPS家族被劃分為T(mén)PSa、TPSb、TPSc、TPSd、TPSe/f、TPSg、TPSh等7個(gè)分支。Ⅰ類TPS包括TPS-a、TPS-b、TPS-d、TPS-e/f，而Ⅱ類TPS僅包含TPS-c［25］。

由圖2可知，三萜是以6個(gè)異戊二烯單元為碳骨架的C30化合物，源自MVA途徑的2個(gè)法尼基焦磷酸（isoprenoids farnesyl diphosphate，F(xiàn)PP）分子在角鯊烯合成酶（squalene synthase，SQS）催化的反應(yīng)中“頭對(duì)頭”融合，生成線性C30三萜前體角鯊烯。隨后，由角鯊烯通過(guò)角鯊烯環(huán)氧化物酶（squalene epoxidase，SQE）從角鯊烯形成2，3-氧化鯊烯，其在氧化鯊烯環(huán)化酶（oxidosqualene cyclases，OSC）、三萜合酶（tTPS）作用下環(huán)化為四環(huán)或五環(huán)萜類骨架結(jié)構(gòu)［26］。如，擬南芥基因組包含13個(gè)編碼OSC的基因，水稻基因組有12個(gè)OSC基因，可產(chǎn)生不同的三萜骨架［27］。隨后，簡(jiǎn)單三萜骨架通常被CYP450酶（cytochrome P450）修飾（如，引入羥基、酮、醛、羧基或環(huán)氧基）以形成更多樣的分子，其進(jìn)一步可被尿苷二磷酸（UDP）-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶（UDP-glucuronosyltransferases，UGT）作用以形成三萜皂苷［27］。

3 植物萜類和皂苷種類多樣性的來(lái)源

雖然植物中的三萜種類繁多，但其對(duì)應(yīng)的三萜骨架僅有100多種，OSC催化這一過(guò)程［28］。隨后，CYP450催化了三萜骨架的多種官能團(tuán)修飾，如羥基、羰基、羧基和環(huán)氧基等，這是導(dǎo)致三萜結(jié)構(gòu)多樣性的第二來(lái)源［27］。最后，通過(guò)UGT將三萜苷元糖基化為三萜皂苷，是導(dǎo)致三萜皂苷結(jié)構(gòu)多樣性的第3個(gè)因素［27］。綜合而言，OSC、CYP450和UGT共同決定著三萜皂苷的結(jié)構(gòu)多樣性。

萜類合成途徑中，2，3-環(huán)氧角鯊烯在氧化鯊烯環(huán)化酶（OSC）催化下環(huán)化合成了多種三萜骨架。高等植物的基因組包含9～16個(gè)OSC基因，如擬南芥基因組中就含有13個(gè)OSC基因，分別控制了13種三萜骨架的產(chǎn)生［29］。CYP450是植物中最大的基因家族，家族成員數(shù)量可達(dá)整個(gè)基因組1%以上。到目前為止，CYP51家族（成員為CYP51H）、CYP71家族（成員為CYP71A/D、CYP81Q、CYP93E和CYP705A）、CYP72家族（成員為CYP72A）和CYP85[JP+1]家族（成員分別為CYP87D、CYP88D/L、CYP708A和CYP716A/C/E/S/U/Y）與三萜結(jié)構(gòu)修飾相關(guān)［30］。糖基化是三萜皂苷生物合成的最后一步，通過(guò)UGT將一個(gè)或多個(gè)親水性糖部分與疏水性苷元連接。三萜皂苷糖基化模式通常在C-3和/或 C-28 位連接糖鏈。植物中UGT的數(shù)量巨大，解碼參與目標(biāo)三萜皂苷生物合成的特定UGT非常困難。到目前為止，僅有23個(gè)UGT參與了三萜皂苷的生物合成。它們被分為8個(gè)家族，即UGT71、UGT72、UGT75、UGT79、UGT82、UGT93、UGT94和UGT709［31］。

4 植物萜類代謝中的代謝合成基因在染色體中的簇狀分布

植物次生代謝中生物合成基因在基因組上呈基因簇分布是植物代謝研究中的重要發(fā)現(xiàn)，它不僅加快了生物合成途徑的闡明過(guò)程，而且為目標(biāo)代謝產(chǎn)物的代謝工程鋪平了道路。[JP+1]研究表明，萜類和皂苷生物合成中也存在類似現(xiàn)象。燕麥?zhǔn)俏ㄒ灰阎漠a(chǎn)生三萜皂苷的單子葉植物。由圖3可知，燕麥屬植物在植物根中積累燕麥新苷（avenacins），為植物提供了抵御土壤傳播真菌的有效屏障。SAD1是一種β-香樹(shù)素合成酶（β-amyrin synthase），催化燕麥新苷生物合成的第一步，并以基因簇的形式存在于燕麥基因組中，與編碼燕麥新苷生物合成所需的調(diào)節(jié)酶的基因一起存在，包括SAD2、CYP51H10，及3個(gè)在燕麥新苷酰化步驟中共同作用的基因：SAD9（一種甲基轉(zhuǎn)移酶基因）、SAD10（UGT74H5糖基轉(zhuǎn)移酶基因）和SAD7（一種絲氨酸羧肽酶樣酰基轉(zhuǎn)移酶基因）［32］。在山芥抵抗跳蚤甲蟲(chóng)和小菜蛾的舉例中，調(diào)節(jié)齊墩果酸纖維糖苷合成2個(gè)OSC（即LUP2和LUP5），8個(gè)CYP450串聯(lián)重復(fù)序列和至少5個(gè)UGT73C的串聯(lián)重復(fù)也是以基因簇的形式分別存在于山芥4號(hào)染色體、7號(hào)染色體和3號(hào)染色體上，體外和植物試驗(yàn)表明，LUP5優(yōu)先在抗蟲(chóng)的G型山芥中表達(dá)，LUP5介導(dǎo)了抗性皂苷齊墩果酸纖維糖苷前體的積累［15］。在7號(hào)染色體的8個(gè)CYP72A中，僅有CYP72A552對(duì)應(yīng)的酶類在C23位置氧化齊墩果酸，介導(dǎo)抗蟲(chóng)皂苷的形成［15］。UGT73C串聯(lián)重復(fù)序列的所有成員都以常春藤苷元和齊墩果酸作為底物進(jìn)行催化，進(jìn)而形成多種皂苷［33］。

5 植物萜類和皂苷的轉(zhuǎn)錄調(diào)控

特異萜類的生物合成可能是植物組織和發(fā)育階段特有的，也可能是對(duì)各種生物和非生物脅迫的應(yīng)激反應(yīng)。萜類化合物在植物體內(nèi)的組織特異性和誘導(dǎo)合成主要是在轉(zhuǎn)錄水平上受到了轉(zhuǎn)錄因子（transcription factor，TF）的調(diào)節(jié)［34］。轉(zhuǎn)錄因子是DNA結(jié)合蛋白，可識(shí)別和結(jié)合靶基因啟動(dòng)子中的特定調(diào)控序列，即所謂的順式元件，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平［35］。根據(jù)其DNA結(jié)合域可將轉(zhuǎn)錄因子分為不同的家族，在植物基因組中至少有64個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族［36］。通過(guò)操縱單個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，有可能影響幾個(gè)協(xié)同調(diào)節(jié)的生物合成基因的表達(dá)，從而增加代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量［37］。目前，研究人員已經(jīng)闡明WRKY轉(zhuǎn)錄因子、MYB轉(zhuǎn)錄因子、bHLH轉(zhuǎn)錄因子、AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子、JRE轉(zhuǎn)錄因子、bZIP轉(zhuǎn)錄因子、和SPL轉(zhuǎn)錄因子在特殊萜類生物合成中發(fā)揮的調(diào)節(jié)作用。研究發(fā)現(xiàn) WRKY轉(zhuǎn)錄因子參與倍半萜類 （如青蒿中的青蒿素、棉花中的棉酚、煙草中的辣椒二醇）、二萜類化合物（如水稻中稻殼酮 A、紅豆杉中的紫杉醇、丹參中的丹參酮）及三萜類化合物（如西洋參中的人參皂苷和睡蓮中的睡茄內(nèi)酯）的生物合成調(diào)控［38-47］。通常認(rèn)為MYB 轉(zhuǎn)錄因子可以調(diào)節(jié)苯丙類化合物的生物合成，但也有少量報(bào)道表明，萜類化合物和苯丙類生物合成途徑均受MYB 轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)?；鹁嫠傻腜tMYB4和葡萄的VvMYB5b MYB轉(zhuǎn)錄因子同時(shí)影響萜類化合物和苯丙類化合物的積累。丹參中的SmMYB36轉(zhuǎn)錄因子能夠抑制酚酸生物合成并促進(jìn)萜類物質(zhì)丹參酮生物合成［48］。近期研究發(fā)現(xiàn)，bHLH類轉(zhuǎn)錄因子TSAR1和TSAR2作為合成激活調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)著苜蓿中三萜皂苷類物質(zhì)的生物合成［49］。已有研究證實(shí)，青蒿中的AaERF1和AaERF2轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控了倍半萜類生物合成［50］，丹參中SmERF128調(diào)控了二萜類化合物丹參酮生物合成過(guò)程［51］。柑橘中AP2/ERF 轉(zhuǎn)錄因子（CitERF71）最近被證明可以調(diào)節(jié)TPS16的表達(dá)，從而控制柑橘類水果中E-桂醇的產(chǎn)生［52］。在青蒿中，bZIP轉(zhuǎn)錄因子HY5與TPS基因QH6的啟動(dòng)子相互作用，調(diào)節(jié)其表達(dá)水平［53］。青蒿中的AaSPL2轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)青蒿素醛-11還原酶（DBR2）的轉(zhuǎn)錄激活，從而提高青蒿素含量［54］。

6 植物萜類或皂苷的生物合成平臺(tái)

除了在植物與環(huán)境相互影響中起關(guān)鍵作用外，皂苷類化合物還因其廣泛的商業(yè)和藥用用途而具有巨大價(jià)值。但其在植物組織中通常含量很低，提取分離困難，結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以人工合成［55］，因此在天然宿主植物或異源植物/微生物平臺(tái)中設(shè)計(jì)靶向皂苷化合物的途徑，不僅能夠提高目標(biāo)皂苷的產(chǎn)量，還能有助于了解皂苷的生物合成調(diào)控。

大腸桿菌和酵母菌一直是萜類和皂苷生產(chǎn)的首選平臺(tái)，具有生長(zhǎng)速度快、原料廉價(jià)、易于遺傳和代謝控制等優(yōu)點(diǎn)。目前，大腸桿菌已被廣泛用于生產(chǎn)萜類和皂苷化合物，包括異戊二烯單萜類（如芳樟醇）、倍半萜類（如β-法尼烯）、二萜類（如紫杉二烯）和四萜類（如番茄紅素）［56-57］等。盡管如此，由于植物CYP450的膜定位特性，大腸桿菌中進(jìn)行萜類和皂苷生產(chǎn)仍具有巨大挑戰(zhàn)。相反，所有萜類化合物均在酵母有過(guò)成功的生物合成范例，包括單萜、倍半萜、二萜、三萜和四萜。青蒿素酸是抗瘧藥物青蒿素的直接前體，其生產(chǎn)是酵母菌中合成萜類最著名的范例，目前，酵母中青蒿素酸的產(chǎn)量已達(dá)到25 g/L［58-60］。酵母是一種真核生物，在構(gòu)建由植物來(lái)源的CYP450 組成的復(fù)雜萜類途徑方面，酵母比大腸桿菌具有優(yōu)勢(shì)［59］。此外，酵母已成為一個(gè)非常有用的平臺(tái)，用于闡明涉及植物CYP450酶的不同萜類化合物途徑。酵母系統(tǒng)已成功用于破解檀香中倍半萜類檀香醇、迷迭香中的二萜類鼠尾草酸和人參中的三萜類人參皂苷的合成調(diào)控途徑［61-64］。

7 植物皂苷的毒性與自毒性避免機(jī)制

含有三萜皂苷的寄主植物多具有趨避作用或威脅攝食的功能，能夠直接影響植食性害蟲(chóng)的繁殖和生長(zhǎng)［65］。三萜皂苷對(duì)寄生昆蟲(chóng)有直接毒性，能抑制其消化功能，通過(guò)抑制進(jìn)食和擾亂昆蟲(chóng)的腸道活動(dòng)來(lái)提高死亡率［66］。三萜皂苷能與昆蟲(chóng)腸道蛋白酶等消化酶形成復(fù)合物，從而影響腸道消化過(guò)程；由于具有膜滲透性，三萜皂苷能夠破壞昆蟲(chóng)腸黏膜細(xì)胞的結(jié)構(gòu)；昆蟲(chóng)需要各種蛻皮甾體進(jìn)行蛻皮，這些皂苷分子能夠與膽固醇復(fù)合物結(jié)合，膽固醇復(fù)合物會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞毒性和昆蟲(chóng)蛻皮失?。?7］。

由于三萜皂苷的雙親性分子的特性，皂苷類物質(zhì)可能會(huì)對(duì)植物自身產(chǎn)生毒害。植物也進(jìn)化出通過(guò)保持代謝物特定三維空間結(jié)構(gòu)和化學(xué)修飾的方式避免自身毒害。山芥（Barbarea vulgaris）中皂苷的生物學(xué)活性的發(fā)揮能夠很好地詮釋立體空間結(jié)構(gòu)對(duì)化合物分子生物學(xué)功能的影響。CYP72/A552催化齊墩果酸在C23位的羥基化，導(dǎo)致C3位置葡糖苷相對(duì)于苷元平面旋轉(zhuǎn)約90°，從而導(dǎo)致高毒性常春藤皂苷（hederagenin）的生成，而其類似物絲石竹酸皂苷（gypsogenic acid saponin）和齊墩果酸皂苷（oleanolic acid saponin）中，葡萄糖與齊墩果酸位于同一平面，導(dǎo)致絲石竹酸皂苷和齊墩果酸皂苷對(duì)小菜蛾幼蟲(chóng)的毒性遠(yuǎn)低于常春藤皂苷［15］。皂苷的化學(xué)修飾是影響其自毒性的另一重要因素。燕麥素是由燕麥根產(chǎn)生的抗菌三萜皂苷。sad3葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶的突變體積累了部分糖基化的燕麥素A-1，從而導(dǎo)致根生長(zhǎng)受阻、根表皮膜運(yùn)輸缺陷和根毛缺乏，而野生型材料中SAD3催化燕麥素A-1完全糖基化后則不會(huì)出現(xiàn)自毒性現(xiàn)象［68］，說(shuō)明三萜皂苷的化學(xué)修飾能夠顯著調(diào)控其自毒性。

8 展望

次級(jí)代謝產(chǎn)物與生物脅迫耐受性有關(guān)，尤其是三萜皂苷，在減輕植食性昆蟲(chóng)危害方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。植物和昆蟲(chóng)的相互作用是一個(gè)不斷互相進(jìn)化適應(yīng)的過(guò)程，這一過(guò)程導(dǎo)致了植物中為應(yīng)對(duì)昆蟲(chóng)危害而生的皂苷類化合物的種類多樣性。如何徹底了解它們的動(dòng)態(tài)相互作用，以及如何在生物技術(shù)中適當(dāng)利用它們，是未來(lái)作物抗蟲(chóng)機(jī)制研究和利用需要解決的重要問(wèn)題。

氧化鯊烯環(huán)化酶（OSC）、細(xì)胞色素CYP450和糖基轉(zhuǎn)移酶UGT等多基因家族是植物三萜皂苷生物多樣性的關(guān)鍵控制基因。植物基因組中OSC基因的數(shù)量有限，使得基于同源性的基因發(fā)現(xiàn)方法成為可能。與OSC的情況相反，CYP450和UGT的基因數(shù)量眾多，鑒定參與特定途徑的CYP450和UGT基因時(shí)，既面臨候選基因?qū)儆诙嗷蚣易宓奶魬?zhàn)，也面臨著選擇合理數(shù)量的候選基因進(jìn)行表型研究的挑戰(zhàn)。研究候選基因的選擇通常涉及基因表達(dá)模式與皂苷生物合成的其他基因或與不同植物組織中皂苷積累的相關(guān)性的分析。此外，OSC、CYP450和UGT在染色體上簇狀排列也是一個(gè)非常有意義的研究發(fā)現(xiàn)。這些研究發(fā)現(xiàn)為未來(lái)植物抗性相關(guān)皂苷通路研究提供了良好的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

［1］FAO. Global agriculture towards 2050［M］. Rome，Italy：FAO，2009.

［2］Aktar M W，Sengupta D，Chowdhury A. Impact of pesticides use in agriculture：their benefits and hazards［J］. Interdisciplinary Toxicology，2009，2（1）：1-12.

［3］Zaynab M，Sharif Y，Abbas S，et al. Saponin toxicity as key player in plant defense against pathogens［J］. Toxicon，2021，193：21-27.

［4］Rossiter S E，F(xiàn)letcher M H，Wuest W M. Natural products as platforms to overcome antibiotic resistance［J］. Chemical Reviews，2017，117（19）：12415-12474.

［5］Kregiel D，Berlowska J，Witonska I，et al. Saponin-based，biological-active surfactants from plants［M］//Najjar R. Application and characterization of surfactants. IntechOpen，2017.

［6］Osbourn A，Goss R J M，F(xiàn)ield R A. The saponins：polar isoprenoids with important and diverse biological activities［J］. Natural Product Reports，2011，28（7）：1261-1268.

［7］Boulogne I，Petit P，Ozier-Lafontaine H，et al. Insecticidal and antifungal chemicals produced by plants：a review［J］. Environmental Chemistry Letters，2012，10（4）：325-347.

［8］Hemmerlin A，Harwood J L，Bach T J. A raison dêtre for two distinct pathways in the early steps of plant isoprenoid biosynthesis？［J］. Progress in Lipid Research，2012，51（2）：95-148.

［9］Balkema-Boomstra A G，Zijlstra S，Verstappen F W A，et al. Role of cucurbitacin C in resistance to spider mite （Tetranychus urticae） in cucumber （Cucumis sativus L.）［J］. Journal of Chemical Ecology，2003，29（1）：225-235.

［10］de Geyter E，Lambert E，Geelen D，et al. Novel advances with plant saponins as natural insecticides to control pest insects［J］. Pest Technology，2007，1（2）：96-105.

［11］Waligóra D.Activity of the saponin extract from the bark of Quillaja saponaria Molina，against Colorado potato beetle （Leptinotarsa decemlineata Say）［J］. Journal of Plant Protection Research，2006，46：199-206.

［12］Sobolewska D，Michalska K，Podolak I，et al. Steroidal saponins from the genus Allium［J］. Phytochemistry Reviews，2016，15（1）：1-35.

［13］Kuzina V，Ekstrm C T，Andersen S B，et al. Identification of defense compounds in Barbarea vulgaris against the herbivore Phyllotreta nemorum by an ecometabolomic approach［J］. Plant Physiology，2009，151（4）：1977-1990.

［14］Kuzina V，Nielsen J K，Augustin J M，et al. Barbarea vulgaris linkage map and quantitative trait loci for saponins，glucosinolates，hairiness and resistance to the herbivore Phyllotreta nemorum［J］. Phytochemistry，2011，72（2/3）：188-198.

［15］Liu Q，Khakimov B，Cárdenas P D，et al. The cytochrome P450 CYP72A552 is key to production of hederagenin-based saponins that mediate plant defense against herbivores［J］. New Phytologist，2019，222（3）：1599-1609.

［16］de Geyter E，Geelen D，Smagghe G. First results on the insecticidal action of saponins［J］. Communications in Agricultural and Applied Biological Sciences，2007，72（3）：645-648.

［17］Ikbal C，Monia B H K，Mounir T，et al. Pesticidal potentialities of Cestrum parqui saponins［J］. International Journal of Agricultural Research，2007，2（3）：275-281.

［18］Lin S，Chen Y X，Bai Y，et al. Effect of tea saponin-treated host plants on activities of antioxidant enzymes in larvae of the diamondback moth Plutella xylostella （Lepidoptera：Plutellidae）［J］. Environmental Entomology，2018，47（3）：749-754.

［19］Zeng C，Wu L B，Zhao Y，et al. Tea saponin reduces the damage of Ectropis obliqua to tea crops，and exerts reduced effects on the spiders Ebrechtella tricuspidata and Evarcha albaria compared to chemical insecticidess［J］. PeerJ，2018，6：e4534.

［20］Tholl D.Biosynthesis and biological functions of terpenoids in plants［J］. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology，2015，148：63-106.

［21］Leivar P，González V M，Castel S，et al. Subcellular localization of Arabidopsis 3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A reductase［J］. Plant Physiology，2005，137（1）：57-69.

［22］Rohdich F，Zepeck F，Adam P，et al. The deoxyxylulose phosphate pathway of isoprenoid biosynthesis：studies on the mechanisms of the reactions catalyzed by IspG and IspH protein［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2003，100（4）：1586-1591.

［23］Vranová E，Coman D，Gruissem W. Network analysis of the MVA and MEP pathways for isoprenoid synthesis［J］. Annual Review of Plant Biology，2013，64：665-700.

［24］Chen F，Tholl D，Bohlmann J，et al. The family of terpene synthases in plants：a mid-size family of genes for specialized metabolism that is highly diversified throughout the Kingdom［J］. The Plant Journal，2011，66（1）：212-229.

［25］Fujihashi M，Sato T，Tanaka Y，et al. Crystal structure and functional analysis of large-terpene synthases belonging to a newly found subclass［J］. Chemical Science，2018，9（15）：3754-3758.

［26］Phillips D R，Rasbery J M，Bartel B，et al. Biosynthetic diversity in plant triterpene cyclization［J］. Current Opinion in Plant Biology，2006，9（3）：305-314.

［27］Thimmappa R，Geisler K，Louveau T，et al. Triterpene biosynthesis in plants［J］. Annual Review of Plant Biology，2014，65：225-257.

［28］Hill R A，Connolly J D. Triterpenoids［J］. Natural Product Reports，2017，34（1）：90-122.

［29］Xue Z Y，Duan L X，Liu D，et al. Divergent evolution of oxidosqualene cyclases in plants［J］. The New Phytologist，2012，193（4）：1022-1038.

［30］Ghosh S. Triterpene structural diversification by plant cytochrome P450 enzymes［J］. Frontiers in Plant Science，2017，8：1886.

［31］Rahimi S，Kim J，Mijakovic I，et al. Triterpenoid-biosynthetic UDP-glycosyltransferases from plants［J］. Biotechnology Advances，2019，37（7）：107394.

［32］Mugford S T，Louveau T，Melton R，et al. Modularity of plant metabolic gene clusters：a trio of linked genes that are collectively required for acylation of triterpenes in oat［J］. The Plant Cell，2013，25（3）：1078-1092.

［33］Erthmann P ，Agerbirk N，Bak S. A tandem array of UDP-glycosyltransferases from the UGT73C subfamily glycosylate sapogenins，forming a spectrum of mono-and bisdesmosidic saponins［J］. Plant Molecular Biology，2018，97（1）：37-55.

［34］Nagegowda D A. Plant volatile terpenoid metabolism：biosynthetic genes，transcriptional regulation and subcellular compartmentation［J］. FEBS Letters，2010，584（14）：2965-2973.

［35］Wray G A，Hahn M W，Abouheif E，et al. The evolution of transcriptional regulation in eukaryotes［J］. Molecular Biology and Evolution，2003，20（9）：1377-1419.

［36］Rushton P J，Bokowiec M T，Han S C，et al. Tobacco transcription factors：novel insights into transcriptional regulation in the Solanaceae［J］. Plant Physiology，2008，147（1）：280-295.

［37］Grotewold E. Transcription factors for predictive plant metabolic engineering：are we there yet？［J］. Current Opinion in Biotechnology，2008，19（2）：138-144.

［38］Xu Y H，Wang J W，Wang S，et al. Characterization of GaWRKY1，a cotton transcription factor that regulates the sesquiterpene synthase gene （+）-delta-cadinene synthase-A［J］. Plant Physiology，2004，135（1）：507-515.

［39］Ishihama N，Yamada R，Yoshioka M，et al. Phosphorylation of the Nicotiana benthamiana WRKY8 transcription factor by MAPK functions in the defense response［J］. The Plant Cell，2011，23（3）：1153-1170.

［40］Li S，Zhang P，Zhang M，et al. Functional analysis of a WRKY transcription factor involved in transcriptional activation of the DBAT gene in Taxus chinensis［J］. Plant Biology，2013，15（1）：19-26.

［41］Sun Y Z，Niu Y Y，Xu J，et al. Discovery of WRKY transcription factors through transcriptome analysis and characterization of a novel methyl jasmonate-inducible PqWRKY1 gene from Panax quinquefolius［J］. Plant Cell，Tissue and Organ Culture （PCTOC），2013，114（2）：269-277.

［42］Spyropoulou E A，Haring M A，Schuurink R C. RNA sequencing on Solanum lycopersicum trichomes identifies transcription factors that activate terpene synthase promoters［J］. BMC Genomics，2014，15（1）：402.

［43］Akagi A，F(xiàn)ukushima S，Okada K，et al. WRKY45-dependent priming of diterpenoid phytoalexin biosynthesis in rice and the role of cytokinin in triggering the reaction［J］. Plant Molecular Biology，2014，86（1/2）：171-183.

［44］Chen M H，Yan T X，Shen Q，et al. GLANDULAR TRICHOME-SPECIFIC WRKY 1 promotes artemisinin biosynthesis in Artemisia annua［J］. New Phytologist，2017，214（1）：304-316.

［45］Cao W Z，Wang Y，Shi M，et al. Transcription factor SmWRKY1 positively promotes the biosynthesis of tanshinones in Salvia miltiorrhiza［J］. Frontiers in Plant Science，2018，9：554.

［46］Deng C P，Hao X L，Shi M，et al. Tanshinone production could be increased by the expression of SmWRKY2 in Salvia miltiorrhiza hairy roots［J］. Plant Science，2019，284：1-8.

［47］Singh A K，Kumar S R，Dwivedi V，et al. A WRKY transcription factor from Withania somnifera regulates triterpenoid withanolide accumulation and biotic stress tolerance through modulation of phytosterol and defense pathways［J］. New Phytologist，2017，215（3）：1115-1131.

［48］Ding K，Pei T L，Bai Z Q，et al. SmMYB36，a novel R2R3-MYB transcription factor，enhances tanshinone accumulation and decreases phenolic acid content in Salvia miltiorrhiza hairy roots［J］. Scientific Reports，2017，7：5104.

［49］Mertens J，Pollier J，Vanden Bossche R，et al. The bHLH transcription factors TSAR1 and TSAR2 regulate triterpene saponin biosynthesis in Medicago truncatula［J］. Plant Physiology，2016，170（1）：194-210.

［50］Yu Z X，Li J X，Yang C Q，et al. The jasmonate-responsive AP2/ERF transcription factors AaERF1 and AaERF2 positively regulate artemisinin biosynthesis in Artemisia annua L.［J］. Molecular Plant，2012，5（2）：353-365.

［51］Zhang Y，Ji A J，Xu Z C，et al. The AP2/ERF transcription factor SmERF128 positively regulates diterpenoid biosynthesis in Salvia miltiorrhiza［J］. Plant Molecular Biology，2019，100（1/2）：83-93.

［52］Li X，Xu Y Y，Shen S L，et al. Transcription factor CitERF71 activates the terpene synthase gene CitTPS16 involved in the synthesis of E-geraniol in sweet orange fruit［J］. Journal of Experimental Botany，2017，68（17）：4929-4938.

［53］Zhou F，Sun T H，Zhao L，et al. The bZIP transcription factor HY5 interacts with the promoter of the monoterpene synthase gene QH6 in modulating its rhythmic expression［J］. Frontiers in Plant Science，2015，6：304.

［54］Lyu Z Y，Wang Y，Liu Y，et al. The SPB-box transcription factor AaSPL2 positively regulates artemisinin biosynthesis in Artemisia annua L.［J］. Frontiers in Plant Science，2019，10：409.

［55］Reed J，Osbourn A. Engineering terpenoid production through transient expression in Nicotiana benthamiana［J］. Plant Cell Reports，2018，37（10）：1431-1441.

［56］Ward V C A，Chatzivasileiou A O，Stephanopoulos G. Metabolic engineering of Escherichia coli for the production of isoprenoids［J］. FEMS Microbiology Letters，2018，365（10）：fny079.

［57］Sethia P，Ahuja M，Rangaswamy V. Metabolic engineering of microorganisms to produce isoprene［J］. Journal of Microbial & Biochemical Technology，2019，11（4）：73-81.

［58］Ro D K，Ouellet M，Paradise E M，et al. Induction of multiple pleiotropic drug resistance genes in yeast engineered to produce an increased level of anti-malarial drug precursor，artemisinic acid［J］. BMC Biotechnology，2008，8：83.

［59］Westfall P J，Pitera D J，Lenihan J R，et al. Production of amorphadiene in yeast，and its conversion to dihydroartemisinic acid，precursor to the antimalarial agent artemisinin［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2012，109（3）：E111-E118.

［60］Paddon C J，Westfall P J，Pitera D J，et al. High-level semi-synthetic production of the potent antimalarial artemisinin［J］. Nature，2013，496（7446）：528-532.

［61］Celedon J M，Chiang A，Yuen M M S，et al. Heartwood-specific transcriptome and metabolite signatures of tropical sandalwood （Santalum album） reveal the final step of （Z）-santalol fragrance biosynthesis［J］. The Plant Journal：for Cell and Molecular Biology，2016，86（4）：289-299.

［62］Ignea C，Athanasakoglou A，Ioannou E，et al. Carnosic acid biosynthesis elucidated by a synthetic biology platform［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2016，113（13）：3681-3686.

［63］Wang P P，Wei W，Ye W，et al. Synthesizing ginsenoside Rh2 in Saccharomyces cerevisiae cell factory at high-efficiency［J］. Cell Discovery，2019，5：5.

［64］Han J Y，Kim M J，Ban Y W，et al. The involvement of β-amyrin 28-oxidase （CYP716A52v2） in oleanane-type ginsenoside biosynthesis in Panax ginseng［J］. Plant and Cell Physiology，2013，54（12）：2034-2046.

［65］Singh B，Kaur A. Control of insect pests in crop plants and stored food grains using plant saponins：a review［J］. LWT，2018，87：93-101.

［66］Adel M M，Sehnal F，Jurzysta M. Effects of alfalfa saponins on the moth Spodoptera littoralis［J］. Journal of Chemical Ecology，2000，26（4）：1065-1078.

［67］Taylor W G，F(xiàn)ields P G，Sutherland D H. Insecticidal components from field pea extracts：soyasaponins and lysolecithins［J］. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2004，52（25）：7484-7490.

［68］Mylona P，Owatworakit A，Papadopoulou K，et al. Sad3 and sad4 are required for saponin biosynthesis and root development in oat［J］. The Plant Cell，2008，20（1）：201-212.

收稿日期：2022-12-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（編號(hào)：32071800）；國(guó)家桃產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（編號(hào)：CARS-30-2-01）；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目（編號(hào)：CAAS-ASTIP-2023-ZFRI）。

作者簡(jiǎn)介：潘 磊（1984—），男，河北保定人，博士，副研究員，主要從事果樹(shù)分子生物學(xué)研究。E-mail：panley@126.com。

通信作者：王志強(qiáng)，博士，研究員，主要從事果樹(shù)遺傳育種和栽培研究，E-mail：wangzhiqiang@caas.cn；牛 良，博士，研究員，主要從事果樹(shù)遺傳育種及相關(guān)研究，E-mail：niuliang@caas.cn。