褚 蔚, 劉洋洋, 李永波, 楚秀生*

1.山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 濟(jì)南 250014；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所, 農(nóng)業(yè)部黃淮北部小麥生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 小麥玉米國家工程實(shí)驗(yàn)室, 濟(jì)南 250100

植物體內(nèi)的異戊二烯類代謝產(chǎn)物如細(xì)胞分裂素、赤霉素、脫落酸、葉綠素、萜類、輔酶Q、甾醇和一些植物毒素等是維持植物生長發(fā)育及應(yīng)對環(huán)境脅迫(生物脅迫[1～3]和非生物脅迫[4])所必需的重要物質(zhì)。這些產(chǎn)物中有些還是重要的商業(yè)用化合物如醫(yī)用藥物、橡膠、香水及調(diào)料等。植物中的異戊二烯類代謝產(chǎn)物主要是通過細(xì)胞內(nèi)甲羥戊酸代謝途徑中一系列酶催化合成的，其中3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶(HMGR；EC:1.1.1.34)是這一代謝途徑中的第一個關(guān)鍵限速酶，能夠?qū)⒁阴］o酶A轉(zhuǎn)化為特別重要的中間產(chǎn)物甲羥戊酸。本文對植物HMGR基因的cDNA克隆、酶結(jié)構(gòu)和功能分析、基因組織表達(dá)及調(diào)控等方面進(jìn)行了綜述，旨在為其在重要農(nóng)作物的遺傳改良、代謝產(chǎn)物工程植物創(chuàng)制以及植物親緣關(guān)系分析中的應(yīng)用等研究提供理論依據(jù)。

1 植物HMGR基因cDNA的結(jié)構(gòu)和信息

植物HMGR基因的cDNA最早從擬南芥[5]中分離克隆出來，隨后從番茄[6]、巴西橡膠樹[7]、長春花[8]、馬鈴薯[9]、香瓜[10]、水稻[11]、小麥[12]等植物中陸續(xù)克隆出來。目前，HMGR基因的cDNA已從80多種植物中分離克隆出來，其中擬南芥、巴西橡膠、馬鈴薯、苜蓿等植物HMGR基因家族的所有成員均已被克隆出來(表1)。

表1 部分植物HMGR基因信息一覽表Table 1 Information of partial HMGR genes cloned from plants.

對已克隆的植物HMGR基因的cDNA進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)其編碼HMGR的開放閱讀框長度在1～2 kb之間不等，多數(shù)集中在1.7 kb左右，編碼的氨基酸數(shù)目在500～600個氨基酸不等。對植物HMGR基因開放閱讀框編碼的氨基酸序列進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)多數(shù)植物HMGR具有7個保守區(qū)域(圖1)。Motif1和Motif2為跨膜區(qū)，包含20多個氨基酸，多數(shù)為脂肪族和芳香族氨基酸交替組合，如大戟EpHMGR的2個跨膜區(qū)分別位于多肽鏈的A40(P)和A62(L)之間、A83(I)和A105(V)之間[17]；Motif3和Motif4是HMG-CoA結(jié)合區(qū)域。Motif3的氨基酸序列為EMPIGYVQIP，在水稻、玉米和小麥等單子葉植物中的第二位氨基酸為亮氨酸(L)，雙子葉植物中則是蛋氨酸(M)。Motif4非常保守為TTEGCLVA；Motif5和Motif6非常保守，是NADPH結(jié)合區(qū)域，Motif5和Motif6的氨基酸序列分別為DAMGMNM和GTVGGGTQ。多數(shù)植物HMGR末尾還存在Motif7，其中第一個絲氨酸(S)含有磷酸化位點(diǎn)，可能與翻譯后調(diào)控有關(guān)。磷酸化是在類異戊二烯生物合成前幾步的酶中確認(rèn)的主要蛋白質(zhì)修飾[44]。

圖1 8種植物HMGR氨基酸序列比對中的7個保守區(qū)域Fig.1 Seven conservative motifs of eight plant HMGR amino acid sequences.注：OsHMGR：水稻(Oryza sativa)AAD08820.1；AtHMGR：擬南芥(Arabidopsis thaliana)NP_179329.1；EpHMGR：大戟(Euphorbia pekinensis)ABK56831.1；HbHMGR：橡膠樹(Hevea brasiliensis)AAQ63055.1；GbHMGR：銀杏(Ginkgo biloba)AAU89123.1；ZmHMGR：玉米(Zea mays)CAA70440.1；ATHMGR：節(jié)節(jié)麥(Aegilops tauschii)EMT29532；TaHMGR：小麥(Triticum aestivum)HMGR；“*”和“·”分別表示氨基酸完全相同和半保守。

2 植物HMGR酶的結(jié)構(gòu)

植物HMGR由N-末端區(qū)、跨膜區(qū)、連接區(qū)和C-末端區(qū)組成(圖2)，C-末端序列較N-末端序列保守[36]，對截取C端35個氨基酸的短角蒲公英Tbhmgrc3瞬間表達(dá)，發(fā)現(xiàn)HMGR活性依賴于部分形成一個螺旋的C末端最后30～40個氨基酸殘基[46]。高度保守的N-末端氨基酸殘基和行使催化功能的C-末端氨基酸殘基暴露于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜外側(cè)的細(xì)胞質(zhì)中，如黃花蒿HMGR的N末端和C末端，通過2個跨膜雙螺旋被定位在細(xì)胞質(zhì)中[47]。鑲嵌在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的跨膜區(qū)由2個富含疏水氨基酸殘基的跨膜結(jié)構(gòu)域構(gòu)成，由一段短的位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)的親水區(qū)域相連。研究表明，跨膜區(qū)有助于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的形態(tài)發(fā)生[48]。所有植物HMGR催化區(qū)都含有4個保守的區(qū)域，即2個HMG-CoA結(jié)合區(qū)域和2個NADP(H)結(jié)合區(qū)域，這些殘基單元與底物識別和結(jié)合有關(guān)。

圖2 植物HMGR酶結(jié)構(gòu)及其與膜結(jié)合示意圖[45]Fig.2 Diagram of the plant HMGR structure and bounding to membrane[45]注：H1和H2代表跨膜疏水區(qū)，粗線代表催化區(qū)。

植物HMGR蛋白的三維結(jié)構(gòu)可分成3個結(jié)構(gòu)域：①N-結(jié)構(gòu)域：N-末端的小螺旋結(jié)構(gòu)域；②L-結(jié)構(gòu)域：包含2個HMG-CoA結(jié)合序列(EMPIGYVQIP和TTEGCLVA)和1個NADP(H)結(jié)合序列(GTVGGGT)，該結(jié)構(gòu)域在立體結(jié)構(gòu)上呈棱鏡狀，由1個大α螺旋構(gòu)成其結(jié)構(gòu)的中心元件；③S-結(jié)構(gòu)域：包含另1個NADP(H)結(jié)合區(qū)域(DAMGMN)的小螺旋結(jié)構(gòu)域。植物HMGR三維結(jié)構(gòu)相似性很高，其空間結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)一個“V”字型，N-結(jié)構(gòu)域和S-結(jié)構(gòu)域位于“V”型的上端，L-結(jié)構(gòu)域在“V”型下部。圖3(彩圖見圖版一)顯示大戟EpHMGR的三級結(jié)構(gòu)，其催化區(qū)含有L、N和S 3個結(jié)構(gòu)域，L結(jié)構(gòu)域最大，具有2個HMG-CoA結(jié)合區(qū)和1個NADP(H)結(jié)合區(qū)，而小的螺旋狀的S結(jié)構(gòu)域包含另1個NADP(H)結(jié)合區(qū)[17]。

圖3 大戟(E. pekinensis)EpHMGR的三維 空間結(jié)構(gòu)圖[17]Fig.3 The 3D structure of E. pekinensis EpHMGR[17]. (彩圖見圖版一)

3 植物HMGR功能分析

HMGR參與的催化反應(yīng)是以1分子的3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A(HMG-CoA)和2分子的還原型輔酶NADPH為底物，首先，1分子NADPH脫H，加到HMG-CoA中與CoA結(jié)合的?；跎希S后CoA分子脫離HMG，形成中間體甲羥戊醛和CoASH，最后另1分子NADPH的H加到甲羥戊醛的?；跎?，形成甲羥戊酸，NADPH還原為2分子NADP+。Maurey 等[49]利用一種單細(xì)胞植物藻(Ochromonasmalhamensis)，通過對底物進(jìn)行14C同位素標(biāo)記，液體閃爍計(jì)數(shù)器測定HMGR的催化產(chǎn)物，證明了HMGR能夠催化3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A形成產(chǎn)物甲羥戊酸。研究表明，對植物HMGR同源或異源過量表達(dá)，能夠促進(jìn)代謝途徑中類異戊二烯物質(zhì)含量的增加，然而利用酶抑制劑抑制該酶活性，則類異戊二烯物質(zhì)含量明顯減少，并引起植物表型的一些變化，說明該酶在類異戊二烯合成中具有非常重要的作用，這為利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)大量合成有重要商業(yè)價值的類異戊二烯物質(zhì)及農(nóng)作物遺傳改良研究奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

3.1 植物HMGR酶動力學(xué)研究

植物HMGR酶動力學(xué)研究是體外驗(yàn)證所克隆的基因編碼的酶是否具有催化活性的重要環(huán)節(jié)，通過分析酶動力學(xué)參數(shù)，可以獲得酶與底物的結(jié)合能力以及催化速率等重要信息，為該酶體內(nèi)過表達(dá)中催化效率的功能驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。目前有關(guān)植物HMGR酶動力學(xué)研究的文獻(xiàn)報(bào)道相對較少，植物HMGR對底物HMG-CoA和NADPH的Km值是不同的。Km值是酶與底物結(jié)合能力的重要體現(xiàn)，Km值越小，酶與底物的結(jié)合力越強(qiáng)，反之酶與底物的結(jié)合力越弱。由表2可以看出，蘿卜HMGR對2個底物的結(jié)合力最強(qiáng)，其他4種植物HMGR對HMG-CoA的結(jié)合力相似，而玉米HMGR對NADPH的結(jié)合力最弱。說明不同植物HMGR對底物的結(jié)合力不同，其催化速率也不同。

表2 幾種已分離純化植物HMGR的Km值Table 2 Km values of several plant HMGR purified.

3.2 HMGR體內(nèi)功能驗(yàn)證

分離克隆的植物HMGR基因編碼的酶是否能夠在植物體內(nèi)代謝途徑中發(fā)揮作用，需要對其進(jìn)行體內(nèi)功能驗(yàn)證。通常將植物HMGR基因轉(zhuǎn)入大腸桿菌中，查看其對細(xì)菌中甲羥戊酸代謝途徑終產(chǎn)物的影響，或通過該酶抑制劑的抑制作用，測定植物體內(nèi)類異戊二烯物質(zhì)含量及其對植物表型的影響，達(dá)到體內(nèi)驗(yàn)證其代謝功能的目的。

研究發(fā)現(xiàn)，大戟EpHMGR[17]、樂昌含笑MichHMGR[25]和睡茄WsHMGR基因[38]能夠促進(jìn)大腸桿菌中β-胡蘿卜素的生物合成；將短角蒲公英TbHMGR1、TbHMGR2和TbHMGR3分別轉(zhuǎn)入一種利用內(nèi)源MEP(methylerythritol phosphate)途徑不能合成IPP的缺陷型大腸桿菌中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)入HMGR催化區(qū)域基因的大腸桿菌可以存活，證明了3種HMGR都含有相應(yīng)的催化活性，可以重啟MVA途徑[45]。

酶抑制劑是驗(yàn)證酶活性的重要化合物。他汀類化合物是動植物HMGR的有效競爭性抑制劑，可以抑制HMGR的活性，進(jìn)而減少甾醇類物質(zhì)的合成，影響植物正常生長。研究表明，用30 μmol/L抑制劑lovastatin處理短角蒲公英10 d，其根縮短超過38%，側(cè)根數(shù)量也減少，這是由于IPP的生物合成不足而影響植物根長[45]；用抑制劑mevinolin處理4周大的人參1 d，可使其不定根中人參皂苷的含量比對照減少34%，人參皂苷的代謝波動與HMGR的酶活性高低相關(guān)[35]。擬南芥HMGR1和HMGR2基因缺失突變株對洛伐他汀敏感程度均比野生型植株要高，而且缺失HMGR1基因會導(dǎo)致擬南芥植株矮小、早衰、雄性不育,且甾醇含量比野生型植株低[54]。

3.3 HMGR基因過表達(dá)

植物HMGR是甲羥戊酸代謝途徑上游的一個關(guān)鍵限速酶，對控制代謝途徑中碳源流向起到非常重要的作用，該酶基因表達(dá)上調(diào)明顯促進(jìn)植物類異戊二烯物質(zhì)含量的增加，同源及異源基因過表達(dá)研究顯示，轉(zhuǎn)基因植物中甾醇、萜類等類異戊二烯物質(zhì)含量明顯提高。

研究發(fā)現(xiàn)，橡膠樹HMGR1基因使轉(zhuǎn)基因煙草總甾醇含量提高了6倍，而且中間代謝產(chǎn)物也在組織中累積[55]；青蒿hmgr轉(zhuǎn)基因青蒿中的最高表達(dá)量是野生型的2.8倍，而且最高青蒿素含量約是對照植株的1.8倍[56]；長春花HMGR基因使黃花蒿中萜類化合物含量提高22.5%[57]，使青蒿素含量比受體植株高出38.9%，且酶活性也比受體植株高[58]，部分青蒿素含量是受體植株的7.65倍[59]；陽春砂AvpHMGR促進(jìn)了轉(zhuǎn)基因煙草光合色素的合成[60]；短角蒲公英TbHMGR1和TbHMGR2的瞬間表達(dá)，導(dǎo)致煙草甾醇前體物的較強(qiáng)積累[45]；人參PgHMGR基因使轉(zhuǎn)基因桔梗毛狀根中的皂苷水平提高1.5～2.5倍，植物固醇水平提高1.1～1.6倍[61]；過表達(dá)丹參SmHMGR2基因，丹參毛根中雙萜和三萜等的含量顯著提高[19]。橡膠樹hmgr1基因表達(dá)導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因擬南芥植株表型與野生型明顯不同，使葉片增大50%，植株生長更健壯[14]；芥菜BjHMGS1基因及其突變體S359A和H188N/S359A基因在擬南芥中過表達(dá)，則上調(diào)HMGR、SMT2(固醇甲基轉(zhuǎn)移酶基因)、DWF1(δ-24固醇還原酶基因)、CYP710A1(C-22固醇去飽和酶基因)和BR6OX2(油菜素甾醇-6-氧化酶基因)基因的表達(dá)，并導(dǎo)致葉片和苗中整體甾醇含量的增加，表現(xiàn)為種子萌發(fā)較對照提前、H2O2誘導(dǎo)細(xì)胞死亡減少以及依賴水楊酸發(fā)病相關(guān)基因(PR1/未知蛋白、PR2/β-1、3葡聚糖酶和PR5/類甜蛋白)的組成型表達(dá)，導(dǎo)致對灰葡萄孢菌抗性增強(qiáng)，其中轉(zhuǎn)基因擬南芥OE-S359A抗性最高[62]。另外，在轉(zhuǎn)基因棉花中過表達(dá)棉鈴蟲HMGR基因的dsRNA，成功下調(diào)棉鈴蟲HMGR基因，并使目標(biāo)昆蟲的發(fā)育和生長受損[63]。

4 植物HMGR基因的組織特異性表達(dá)

4.1 在細(xì)胞分裂旺盛器官中的表達(dá)

HMGR基因在植物的根、莖、葉、花及果實(shí)中的表達(dá)明顯不同，細(xì)胞分裂比較旺盛的器官中的表達(dá)相對較強(qiáng)。香瓜果實(shí)體積大小是由果實(shí)早期發(fā)育過程中果皮細(xì)胞的分裂增殖決定的，早期果實(shí)生長過程中CmHMGR基因表達(dá)和酶活性非常關(guān)鍵[64]；荔枝LcHMG1在果實(shí)發(fā)育早期階段表達(dá)水平最高，這與高水平細(xì)胞分裂有關(guān)，并參與調(diào)控果實(shí)大小，與小果類型相比，LcHMG1在大果類型中的表達(dá)水平較高，且表達(dá)持續(xù)時間較長，而LcHMG2主要在果實(shí)發(fā)育后期階段高表達(dá)，這與后期細(xì)胞伸長需要的類異戊二烯物質(zhì)的生物合成有關(guān)[65]；番茄HMGR基因在果實(shí)發(fā)育早期其mRNA轉(zhuǎn)錄水平和酶的活性水平非常高[66]；擬南芥HMGR1的mRNA在所有組織中都能檢測到，而HMGR2只在分生組織和花中表達(dá)水平較高[54]；大戟EpHMGR基因在根中高表達(dá)，而在莖、葉中低表達(dá)[17]；樂昌含笑MichHMGR只在葉片中表達(dá)，在莖和根中沒有表達(dá)[25]；咖啡CaHMGR1表現(xiàn)暫時性和組織特異性表達(dá)，而CaHMGR2則是組成型表達(dá)，前者只在發(fā)育初始階段的果實(shí)組織(果肉、外胚乳和胚乳)、花芽和葉片中表達(dá)，而后者在所有組織(花芽、葉片、樹枝和根)及整個發(fā)育階段不同果實(shí)組織中都有表達(dá)[24]；丹參SmHMGR3在根莖葉中均有表達(dá)，但在葉中表達(dá)量最高[67]；人參PgHMGR2在花中表達(dá)量最高，其次為葉和根，莖中表達(dá)量最低[68]；睡茄WsHMGR表達(dá)量由多到少依次是花>根>果實(shí)>莖和葉，而且在幼葉中的表達(dá)量比在成熟葉片中的表達(dá)量高[38]；白木香AsHMGR2基因主要在根和莖尖中表達(dá)，其次是莖，葉中的表達(dá)量最低[15]；露水草CaHMGR的mRNA在莖、根和葉片中富集[69]；球藥隔重樓PfHMGR基因在根和莖中的表達(dá)比在葉片中強(qiáng)[34]；玉米ZmHMG6在種子中較高表達(dá)，ZmHMGR5只在種子的胚乳中專一性表達(dá)，而大豆GmHMGR4在種子發(fā)育后期高表達(dá)[70]。由此可見，植物不同器官中，不同HMGR在植物發(fā)育不同階段擔(dān)負(fù)的功能是不同的。

4.2 在代謝產(chǎn)物富集器官中的表達(dá)

不同器官中類異戊二烯含量與HMGR表達(dá)密切相關(guān)。歐洲榛樹CgHMGR在根中的表達(dá)水平最高，葉片次之，莖中表達(dá)量最少[33]，這與榛子根部紫杉酚(為雙萜物質(zhì)，一種有效的抗癌物質(zhì))含量最高相一致；巴西橡膠樹HbHMGR1和HbHMGR3在橡膠樹紅色幼葉、淺綠幼葉、成熟葉、乳汁液、韌皮部和木質(zhì)部中都有表達(dá)信號，但在橡膠樹乳膠液中表達(dá)量最高，是調(diào)控橡膠合成的主效基因[71]；短角蒲公英TbHMGR1在所有組織中都表達(dá)，但在乳膠組織中表達(dá)量最高[45]；尾巨桉EuHMGR1在枝組織中表達(dá)水平最高，其次是葉，根中基本沒有表達(dá)，與桉樹萜類精油合成代謝旺盛程度是相一致的[40]；人參PgHMGR1和PgHMGR2基因在種子、葉片、莖和花中表達(dá)相對較低，但在幼苗葉柄和根中表達(dá)較強(qiáng)，PgHMGR2基因在6齡人參根中的轉(zhuǎn)錄是3齡人參根中轉(zhuǎn)錄的5倍[35]；羅漢果HMGR在莖和果實(shí)中表達(dá)量較高，在葉片中表達(dá)量較低，在果實(shí)不同發(fā)育時期，表達(dá)量呈現(xiàn)先升高再降低，然后再升高再降低的波動式變化，與苷V合成積累變化規(guī)律相似[72]；積雪草CaHMGR在節(jié)和葉片中表達(dá)最強(qiáng)，而在根中表達(dá)較低，節(jié)對萜類物質(zhì)合成非常重要[23]。重要類異戊二烯物質(zhì)在植物不同器官的累積與HMGR基因表達(dá)的一致性、為創(chuàng)制富集類異戊二烯物質(zhì)的工程植物奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

5 植物HMGR基因表達(dá)的調(diào)控

5.1 化學(xué)因子的調(diào)控

茉莉酸甲酯(methyl jasmonate，MeJA)可以使HMGR基因表達(dá)上調(diào)，從而促進(jìn)植物次生代謝物的積累。100 μmol/L的MeJA能顯著提高紫衫細(xì)胞懸浮培養(yǎng)液中紫杉醇含量[73]；100 mmol/L的MeJA使丹參發(fā)根12 h后HMGR表達(dá)量是未處理的3.5倍，而96 h后比對照提高了50%[19]；MeJA使睡茄WsHMGR基因表達(dá)24 h后達(dá)到高峰[38]；0.2 mmol/L的MeJA誘發(fā)的露水草懸浮細(xì)胞培養(yǎng)中20-羥基蛻皮酮(20E)的含量是對照的8倍[69]。水楊酸使睡茄WsHMGR基因在24 h時表達(dá)增加[38]。化學(xué)傷害對白木香AsHMGR2基因表達(dá)的誘導(dǎo)強(qiáng)度在8 h時達(dá)到最大[15]。Ag+使丹參SmHMGR基因的轉(zhuǎn)錄水平24 h時迅速提高[67]；25 μmol/L Ag+使露水草懸浮細(xì)胞培養(yǎng)中20E的含量是對照的6倍[69]。

5.2 物理因子的調(diào)控

擬南芥HMGR1基因表達(dá)直接受光照調(diào)控，但存在組織特異性。在光照條件下，成熟擬南芥葉子只有極其微弱的GUS顯色，而無光條件下幼嫩葉片和葉柄以及成熟葉片邊緣都有很深的GUS染色；根部HMGR1啟動子的表達(dá)只在伸長區(qū)，且不受光照影響[74]。切割和真菌感染使馬鈴薯塊莖和甘薯根組織中HMGR表達(dá)量上升，進(jìn)而導(dǎo)致半倍萜烯類植物抗毒素含量增多[75]。物理傷害導(dǎo)致睡茄WsHMGR基因表達(dá)顯著上調(diào)，在24 h時達(dá)到高峰[38]，而白木香AsHMGR2基因的表達(dá)緩慢升高, 6 h 時達(dá)到最高表達(dá)水平[15]。

此外，植物HMGR基因還有其他的調(diào)控方式，生物因素如微生物使假馬齒莧HMGR基因表達(dá)上調(diào)[4]，病菌強(qiáng)烈誘導(dǎo)棉花HMGR基因的表達(dá)[3]；內(nèi)源代謝因素如甾醇含量的減少可引起關(guān)鍵酶HMGR的反饋調(diào)節(jié)，煙草細(xì)胞鯊烯合酶和角鯊烯環(huán)氧化酶的抑制導(dǎo)致HMGR的表達(dá)上調(diào)，其活性可達(dá)到平時的7倍[76]；翻譯后修飾如絲氨酸磷酸化、N-糖基化修飾以及蛋白質(zhì)水解等可對酶活性進(jìn)行調(diào)控[44]。

6 展望

植物HMGR基因主要在細(xì)胞分裂比較旺盛的器官以及類異戊二烯產(chǎn)物富集的器官中表達(dá)強(qiáng)度高，且該基因在轉(zhuǎn)基因受體植株中過表達(dá)，能夠顯著促進(jìn)類異戊二烯物質(zhì)含量的增加。研究證明，香瓜CmHMGR基因的表達(dá)水平?jīng)Q定了果實(shí)體積的大小[64]，同樣，荔枝LcHMG1在大果類型中的表達(dá)水平較高，且持續(xù)時間較長[65]。若通過定點(diǎn)誘變技術(shù)，創(chuàng)制該酶催化速率提高的基因突變體，轉(zhuǎn)化以類異戊二烯次生代謝產(chǎn)物為主的經(jīng)濟(jì)植物，可以進(jìn)一步提高這些植物體內(nèi)相應(yīng)物質(zhì)的含量，獲取更大的商業(yè)價值；若轉(zhuǎn)化重要農(nóng)作物并在體內(nèi)過量表達(dá)，一方面可使作物體內(nèi)細(xì)胞分裂素、赤霉素等植物激素含量水平得到提高，從而加速果實(shí)(籽粒)細(xì)胞的分裂和伸長，增大作物籽粒的庫容，另一方面可加速作物植株中葉綠素的生物合成，進(jìn)而提高植物的光合效率，增加植株中可溶性糖的含量及籽粒中的淀粉積累，從而提高作物的產(chǎn)量水平。研究表明，細(xì)胞分裂素是決定小麥籽粒產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[77]，降低細(xì)胞分裂素氧化酶活性(cytokinin oxidase,CKX)能夠顯著提高小麥的穗粒數(shù)、千粒重和根重[78]；將GA3溶液噴灑在小麥赤霉素應(yīng)答矮桿基因突變體(Rht12)植株的葉片上，能夠顯著促進(jìn)植株地上部分的生長[79]。此外，通過該酶基因過表達(dá)，某些萜類物質(zhì)含量的增加可能對作物籽粒品質(zhì)及食品口感有所改善，或通過加速植物毒素合成，使病蟲害防御能力得到進(jìn)一步提高；對該酶基因結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入剖析，研究其內(nèi)含子、外顯子和啟動子等元件，可用于開發(fā)代謝途徑中關(guān)鍵酶基因的分子標(biāo)記，進(jìn)行分子標(biāo)記輔助育種選擇。

另外，根據(jù)植物HMGR氨基酸序列構(gòu)建分子進(jìn)化樹，發(fā)現(xiàn)整個植物界HMGR基因家族的功能和進(jìn)化是相當(dāng)保守的，該酶基因起源于一個祖先基因，最后演化成4個不同群，單子葉植物和雙子葉植物各兩個群[48,70]。由于植物HMGR基因是甲羥戊酸途徑中的一個相對保守的基因，可以作為生物遺傳分化和分子進(jìn)化研究工作中的重要因子，對于判斷物種間親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近具有一定的參考價值。

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