陳妤 朱沛煌 李榮 朱靈芝 季孔庶

（南京林業(yè)大學(xué)林木遺傳與生物技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037）

類(lèi)異戊二烯（Isoprenoids）在自然界中無(wú)處不在，包括古細(xì)菌、細(xì)菌、真核生物等，是種類(lèi)最多的一類(lèi)次生代謝產(chǎn)物，它們是細(xì)胞一級(jí)和二級(jí)代謝的組成部分，在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、適應(yīng)氣候、繁殖及防御機(jī)制等方面發(fā)揮作用［1-2］。類(lèi)異戊二烯化合物不僅參與植物生長(zhǎng)發(fā)育和環(huán)境應(yīng)答等重要的生理過(guò)程，而且在制藥、天然乳膠、香料和有機(jī)合成領(lǐng)域也有應(yīng)用［3］。負(fù)責(zé)形成和修飾超過(guò)六萬(wàn)種類(lèi)異戊二烯化合物的是異戊烯基轉(zhuǎn)移酶（Prenyltransferase，PT），又稱類(lèi)異戊二烯基焦磷酸合酶（Isoprenyl diphosphate synthases，IPPS 或IDS），廣泛存在于生物界［4］。異戊烯基轉(zhuǎn)移酶可分為順式異戊烯基轉(zhuǎn)移酶（Cis-prenyltransferase）和反式異戊烯基轉(zhuǎn)移酶（Trans-prenyltransferase）兩個(gè)類(lèi)型。順式異戊烯基轉(zhuǎn)移酶通常催化合成碳骨架長(zhǎng)度大于C50的聚異戊二烯，而反式異戊烯基轉(zhuǎn)移酶催化合成碳骨架長(zhǎng)度小于C50的類(lèi)異戊二烯化合物［5］，前者所得產(chǎn)物表現(xiàn)出混合的雙反式-多順式或三反式-多順式立體異構(gòu)，后者所得產(chǎn)物則表現(xiàn)出反式立體異構(gòu)［6］。聚異戊二烯（Polyisoprenoid）及其衍生物具有多種生物學(xué)功能［7］，如葉綠體中含量豐富的聚戊烯醇（Polyprenols）會(huì)影響光合效率，多萜醇（Dolichols）是蛋白質(zhì)糖基化過(guò)程中必需的糖載體，有的聚異戊二烯具有調(diào)節(jié)膜性質(zhì)的能力，可作為蛋白質(zhì)異戊酮的供體［8］。目前對(duì)植物細(xì)胞內(nèi)聚異戊二烯合成途徑及其功能的認(rèn)識(shí)還相當(dāng)有限，并且對(duì)聚異戊二烯生物合成的調(diào)控機(jī)制還不清楚。異戊烯轉(zhuǎn)移酶不僅能催化產(chǎn)生一個(gè)C-C 鍵（N-C 鍵），還能在終產(chǎn)物中引入一個(gè)與類(lèi)異戊二烯化合物生物活性有關(guān)的雙鍵［4］。根據(jù)生成的碳鏈長(zhǎng)度，反式異戊烯基轉(zhuǎn)移酶又可分為短鏈異戊烯基轉(zhuǎn)移酶（C10-25）、中鏈異戊烯基轉(zhuǎn)移酶（C30-35）和長(zhǎng)鏈異戊烯基轉(zhuǎn)移酶（C40-50）［9］。短鏈異戊烯基轉(zhuǎn)移酶有香葉基焦磷酸合酶（Geranyl diphosphate synthase，GPPS，C10）、法尼基焦磷酸合酶（Farnesyl diphosphate synthase，F(xiàn)PPS，C15）、香葉基香葉基焦磷酸合酶（Geranylgeranyl diphosphate synthase，GGPPS，C20）和香葉基法尼基焦磷酸合酶（Geranylfarnesyl diphosphate synthase，GFPPS，C25），它們各自的產(chǎn)物GPP、FPP、GGPP和GFPP 可作為幾種下游酶，如萜類(lèi)合成酶（Terpene synthase，TPS）、角鯊烯合成酶（Squalene synthase，SQS）及八氫番茄紅素合成酶（Phytoene synthase，PSY）等的底物，生成萜烯化合物（Terpenoids）、角鯊烯（Squalene）及八氫番茄紅素（Phytoene）等，這些異戊烯基轉(zhuǎn)移酶是類(lèi)異戊二烯生物合成的重要分支點(diǎn)［10］。中鏈異戊烯基轉(zhuǎn)移酶包括細(xì)菌所具有的六異戊烯基二磷酸合酶（HexPPS）、七異戊烯基二磷酸合酶（HepPPS）等。長(zhǎng)鏈異戊烯基轉(zhuǎn)移酶催化合成長(zhǎng)度超過(guò)40 個(gè)C 的反式化合物，此類(lèi)酶需要異戊烯載體蛋白（Prenyl carrier protein）才能把疏水反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移出反應(yīng)位點(diǎn)［11］。因植物異戊烯基轉(zhuǎn)移酶大多為多次跨膜的膜結(jié)合蛋白，且植物遺傳背景不清楚，克隆相關(guān)基因并進(jìn)行外源表達(dá)有一定的難度，因此在分子水平上的研究報(bào)道甚少，但在微生物中異戊烯基轉(zhuǎn)移酶的研究進(jìn)展較快，大多進(jìn)行了克隆及功能鑒定，個(gè)別酶類(lèi)還完成了X 衍射三維晶體結(jié)構(gòu)分析［12］。由于植物體中類(lèi)異戊二烯化合物的形成主要依賴異戊烯基轉(zhuǎn)移酶及其基因，因此對(duì)異戊烯基轉(zhuǎn)移酶及其基因家族的研究不僅有助于解析類(lèi)異戊二烯化合物生物合成與調(diào)控的機(jī)制，還可以為研究合成有生物活性的類(lèi)異戊二烯化合物提供新的路徑［13］。

1 植物類(lèi)異戊二烯生物合成途徑

異戊烯基二磷酸（Isopentenyl diphosphate，IPP）和二甲丙烯焦磷酸（Dimethylallyl diphosphate，DMAPP）是所有萜烯化合物生物合成的C5分子前體。它們來(lái)源于兩種不同的代謝途徑，即甲羥戊酸（Mevalonate-independent，MVA）途徑和磷酸甲基赤蘚糖（Methyl-erythritol 4-phosphate，MEP）途徑［14-16］。其中，MVA 途徑是以乙酰輔酶A 為底物，在植物細(xì)胞質(zhì)中主要參與倍半萜烯、油菜素內(nèi)酯、甾醇、三萜等的合成［17-18］；而MEP 途徑是以丙酮酸或磷酸甘油醛為底物，在植物質(zhì)體中主要參與合成赤霉素、脫落酸、葉綠素、類(lèi)胡蘿卜素、單萜、二萜等物質(zhì)［19-20］。IPP 在IPP 異構(gòu)酶（Isopentenyl diphosphate isomerase，IPPI）的作用下可以轉(zhuǎn)化成為DMAPP，在多種異戊烯基轉(zhuǎn)移酶的作用下發(fā)生縮合反應(yīng)。IPP和DMAPP 在異戊烯基轉(zhuǎn)移酶的作用下可形成二聚體、三聚體、四聚體或五聚體等多聚體，分別為香葉基焦磷酸（Geranyl diphosphate，GPP，C10）、法尼基焦磷酸（Farnesyl diphosphate，F(xiàn)PP，C15）、香葉基香葉基焦磷酸（Geranylgeranyl diphosphate，GGPP，C20）和香葉基法呢基焦磷酸（Geranylfarnesyl diphosphate，GFPP，C25）［14-15］。這些異戊烯基 聚合物作為中間體在萜烯合成酶（Terpene synthases，TPS）的作用下最終轉(zhuǎn)化為萜烯化合物，根據(jù)其產(chǎn)物碳鏈長(zhǎng)度可分為：?jiǎn)屋疲∕onoterpenes，C10）、倍半萜（Sesquiterpenes，C15）、二萜（Diterpenes，C20）、二倍半萜（Sesterterpenes，C25）和三萜（Triterpenes，C30）等（圖1）［14-15，21］。

圖1 植物類(lèi)異戊二烯生物合成途徑［14-15，21］

2 植物異戊烯基轉(zhuǎn)移酶及其基因的研究現(xiàn)狀

類(lèi)異戊二烯化合物是自然界中化學(xué)成分最豐富的一類(lèi)代謝產(chǎn)物，它是植物質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在生物體內(nèi)介導(dǎo)氧化還原反應(yīng)，還具有調(diào)節(jié)繁殖周期、吸引配偶、傳遞轉(zhuǎn)化信號(hào)等重要生理生化功能。在植物細(xì)胞內(nèi)，類(lèi)異戊二烯化合物是由不同數(shù)目的IPP 與DMAPP 作為初始物縮合而成，催化這一類(lèi)過(guò)程的酶是異戊烯基轉(zhuǎn)移酶，主要包括GPPS、FPPS、GGPPS 和GFPPS［22］。

GPPS 在植物中廣泛存在，是萜烯化合物骨架代謝途徑中的關(guān)鍵酶，主要參與薄荷醇、單萜吲哚生物堿和黃酮等物質(zhì)的合成與調(diào)控，它的表達(dá)水平受到很多因素的影響，如亞細(xì)胞水平的特異分布、基因表達(dá)水平、蛋白翻譯水平和蛋白聚合形式等［23-26］。Burke 等［23］首 先 從 荷 蘭 薄 荷（Mentha spicata）、胡椒薄荷（Mentha×piperita）中克隆獲得了兩個(gè)GPPS基因的全長(zhǎng)cDNA 序列，之后又從多種植物中分離出GPPS基因，如挪威云杉（Piceaabies）［27］、 長(zhǎng) 春 花（Catharanthus roseus）［24］、 薄荷（Mentha haplocalyx）［28］、 金 魚(yú) 草（Antirrhinum majus）［29］、擬 南 芥（Arabidopsisthaliana）［25］、啤酒花（Humulus lupulus）［26］、雷公藤（Tripterygium wilfordii）［30］和 滇 龍 膽（Gentiana rigescens）［31］等。 近 年 來(lái)，Adal 等［32］在 薰 衣 草（Lavandula angustifolia）中克隆出了GPPS基因并對(duì)其重組蛋白進(jìn)行了功能鑒定，當(dāng)小亞基LiGPPS.SSU1與大亞基LiGPPS.LSU在大腸桿菌中共表達(dá)時(shí)，得到的重組異源蛋白有GPPS 的活性，可產(chǎn)生GPP；Ueoka 等［33］利用EST 和同源克隆的方法克隆了紫草（Lithospermum erythrorhizon）中43 個(gè)胞質(zhì)定位的GPPS基因LeGPPS，其重組蛋白主要產(chǎn)生GPP 及少量的FPP；通過(guò)對(duì)12 個(gè)蝴蝶蘭屬（Phalaenopsis）植物的GPPS基因上游啟動(dòng)子片段檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)雙重復(fù)序列與單萜合成具有較強(qiáng)的相關(guān)性［34］；Zhao 等［35］研究了山雞椒（Litsea cubeba）單萜生物合成途徑中的GPPS小亞基1（LcGPPS.SSU1）的功能，發(fā)現(xiàn)在野生山雞椒中瞬時(shí)表達(dá)和在煙草中過(guò)表達(dá)均能提高單萜的產(chǎn)量，甚至在煙草中引入LcGPPS.SSU1會(huì)影響GGPP 的表達(dá)，從而提高二萜的產(chǎn)量；Kumar 等［36］通過(guò)在長(zhǎng)春花（Catharanthus roseus）中超表達(dá)GPPS基因與香葉醇合酶基因（Geraniol synthase，GES），提高了吲哚生物堿的水平。

FPPS 參與一些植物激素與植物色素，如細(xì)胞分裂素、類(lèi)胡蘿卜素、葉綠素、脫落酸和赤霉素等類(lèi)異戊二烯化合物的生物合成，這類(lèi)有機(jī)化合物對(duì)維持植物生長(zhǎng)發(fā)育具有重要作用［37］，一些FPPS 也有細(xì)胞增殖或信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等作用［38］。目前，植物FPPS基因已經(jīng)分別從水稻（Oryza sativa）［39］、高粱（Sorghum bicolor）［40］、白木香（Aquilaria sinensis）［41］、洋常春藤（Hedera helix）［42］及香樟（Cinnamomum camphora）［43］等數(shù)十種植物中得到分離。研究表明，在擬南芥中同時(shí)敲除FPPS1和FPPS2兩個(gè)法呢基焦磷酸合酶基因，會(huì)導(dǎo)致擬南芥死亡［44］；Fei 等［45］發(fā)現(xiàn)在靈芝（Ganoderma Lucidum）中過(guò)表達(dá)FPPS基因能導(dǎo)致角鯊烯合酶基因（Squalene synthase，SQS）和羊甾醇合酶（Lanosterol synthase）基因LS的轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)，從而提高靈芝的靈芝酸產(chǎn)量。

GGPPS 能夠催化IPP 和DMAPP 合 成GGPP 作為類(lèi)維生素A、類(lèi)胡蘿卜素、二萜類(lèi)化合物和天然橡膠等生物合成前體物質(zhì)［46-49］。目前，已有多種植物的GGPPS基因得到研究，如南方紅豆杉（Taxus wallichianavar. Mairei）［50］、 銀杏（Ginkgo biloba）［51］、擬南芥［20］等。在一部分植物中，GGPPS以基因家族的形式存在，例如在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了12 個(gè)GGPPS同源基因［20］；Zhu 等［52］在丹參（Salvia miltiorrhiza）中分離出3 個(gè)GGPPS基因；李鋒等［53］在煙草中也分離出4 個(gè)GGPPS基因。近兩年對(duì)于GGPPS基因的研究較多，Su 等［54］在雷公藤中鑒定了8 個(gè)可被調(diào)控的GGPPS基因，其蛋白功能鑒定的研究表明GGPPS1 在合成與二萜、葉綠素及類(lèi)胡蘿卜素等相關(guān)的GGPP 上發(fā)揮主要作用，而GGPPS8 對(duì)雷公藤的根系生長(zhǎng)有著重要的作用；Huang 等［55］從雨生紅球藻（Haematococcus pluvialis）中分離出8 個(gè)預(yù)測(cè)的HpGGPPS候選基因，在大腸桿菌中異源表達(dá)鑒定其功能，結(jié)果表明其中兩個(gè)蛋白具有GGPPS 的活性，參與色素的形成，為蝦青素產(chǎn)量的提高提供了一條生產(chǎn)途徑；陳建榮等［56］從梔子（Gardenia jasminoides）中克隆出GGPPS基因小亞基并進(jìn)行生物信息分析，但未對(duì)其蛋白進(jìn)行功能鑒定。

GFPPS基因與二倍半萜類(lèi)化合物合成密切相關(guān)，最初是從嗜鹽堿桿菌（Natronobacterium pharaonis）中被分離［57］，只有在古細(xì)菌（Aeropyrum pernix）和甲烷八疊球菌（Methanosarcina mazei）等原核生物中被克隆出來(lái)［58-59］。然而，對(duì)植物GFPPS基因和二倍半萜類(lèi)化合物的生物合成研究甚少，Nagel 等［60］在擬南芥和大腸桿菌中過(guò)表達(dá)GFPPS發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)物大部分為GFPP；Wang 等［61］純化了擬南芥中的10 個(gè)GGPPS，分析產(chǎn)物后發(fā)現(xiàn)其中4 個(gè)為GFPP，隨后利用模型在蕓苔屬（Brassica）植物中驗(yàn)證其正確性；Liu 等［62］克隆了米團(tuán)花（Leucosceptrum canum）基因LcGFPPS，在擬南芥中過(guò)表達(dá)GFPPS，驗(yàn)證其具有GFPP 的活性，是二倍半萜類(lèi)化合物合成的前體物質(zhì)，為其他物種研究二倍半萜類(lèi)化合物的生物合成提供了一個(gè)途徑。

3 異戊烯基轉(zhuǎn)移酶基因保守結(jié)構(gòu)域分析

異戊烯類(lèi)化合物的生物合成均是由IPP 和DMAPP 經(jīng)異戊烯基轉(zhuǎn)移酶催化縮合而成，有著不同的碳?xì)滏滈L(zhǎng)度且有特異性，是許多類(lèi)異戊二烯化合物的前體，因?yàn)樗鼈兊陌被嵝蛄杏懈叨鹊南嗨菩?，因此這些酶被認(rèn)為具有相似的結(jié)構(gòu)和相同的催化機(jī)制［63-64］。利用Clustral X 軟件我們對(duì)不同植物異戊烯基轉(zhuǎn)移酶基因氨基酸序列的比對(duì)（圖2），這些基因存在兩個(gè)高度保守的富含天冬氨酸（Asp）的區(qū)域，第一個(gè)基序FARM（First aspartate-rich motif，DDX（2-4）D）和第二個(gè)基序SARM（Second aspartaterich motif，DDXXD）對(duì)促進(jìn)催化功能和底物結(jié)合至關(guān)重要（其中D 表示Asp，X 表示任意氨基酸）［65］，這兩個(gè)基序是典型的異戊烯基轉(zhuǎn)移酶活性結(jié)構(gòu)域，是縮合反應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)。Burke 等［23］分析了荷蘭薄荷、胡椒薄荷與其他植物的GPPS 氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)其中存在FARM 與SARM 基序；Szkopi?ska 等［66］比對(duì)各個(gè)植物的FPPS 氨基酸序列發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)天冬氨酸FARM 和SARM 基序；Huang 等［55］比對(duì)了12個(gè)GGPPS 氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)保守區(qū)域FARM 與SARM；Nagel 等［60］認(rèn)為GFPPS 活性與特定的氨基酸殘基有關(guān)，分析了擬南芥IDS 部分氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)存在天冬氨酸保守區(qū)域FARM；Liu 等［62］比對(duì)了其他植物與5 個(gè)米團(tuán)花GFPPS 氨基酸序列發(fā)現(xiàn)，這些序列中存在5 個(gè)保守區(qū)，包括兩個(gè)保守的天冬氨酸基序（DDLPCMD 和DDILD）。

圖2 異戊烯基轉(zhuǎn)移酶基因氨基酸序列比對(duì)

4 異戊烯基轉(zhuǎn)移酶基因家族分子系統(tǒng)進(jìn)化分析

近年來(lái)，為探討植物異戊烯基轉(zhuǎn)移酶基因家族的進(jìn)化關(guān)系，Liu 等［62］對(duì)植物的IDS基因用極大似然法構(gòu)建了系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)，其結(jié)果主要分為A、B 兩簇，A 簇包含兩個(gè)亞簇 I 和 II，F(xiàn)PPS基因主要在B簇，而A 簇中大部分是GPPS、GGPPS與GFPPS基因，表明其分類(lèi)是依據(jù)生化功能的相近程度，而不是分類(lèi)起源；Huang 等［55］構(gòu)建了GGPPS基因的進(jìn)化樹(shù)，8 個(gè)雨生紅球藻HPGGPPS基因被分到了3 個(gè)不同的平行組，表明它們分別與各自組中GGPPS基因的功能相近；Su 等［54］將雷公藤的8 個(gè)GGPPS基因與其他植物異戊烯基轉(zhuǎn)移酶基因家族成員一起構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)，結(jié)果表明這8 個(gè)GGPPS基因依據(jù)功能相近程度被分散在各個(gè)分支上。

我們從NCBI 上下載各個(gè)植物異戊烯基轉(zhuǎn)移酶基因，利用分子進(jìn)化遺傳分析軟件MEGA7 構(gòu)建了系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)（圖3），結(jié)果表明，F(xiàn)PPS基因單獨(dú)聚集成一大類(lèi)，屬于一個(gè)獨(dú)立的分支，而其余3 個(gè)基因GPPS、GGPPS和GFPPS聚集成另一大類(lèi)，其中裸子植物的GPPS、GGPPS基因在同一分支上，表明其功能相近，這與上述研究結(jié)果一致。

5 針葉樹(shù)異戊烯基轉(zhuǎn)移酶基因的研究

裸子植物包括松杉綱（Coniferopsida）、蘇鐵綱（Cycadopsida）、銀杏綱（Ginkgopsida）和買(mǎi)麻藤綱（Gnetopsida）是一種古老而廣泛的胚珠裸露不被子房包被的植物，具有重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值［67］，。除買(mǎi)麻藤綱外，現(xiàn)已在銀杏綱、松杉綱和蘇鐵綱發(fā)現(xiàn)了多個(gè)IDS［68］。裸子植物的針葉樹(shù)種占世界森林39%，對(duì)北半球和南半球依賴林業(yè)的經(jīng)濟(jì)體具有巨大價(jià)值［69］。針葉樹(shù)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的單萜、倍半萜和二萜等次生代謝物，最顯著的形式是松脂，是由松樹(shù)樹(shù)脂道中的泌脂細(xì)胞生成的天然樹(shù)脂［70］，可以抵御昆蟲(chóng)和病原菌攻擊的物理和化學(xué)防御［71-75］。通過(guò)加熱蒸餾等簡(jiǎn)單步驟去除雜質(zhì)后可制成松節(jié)油（單萜和倍半萜）、松香（二萜樹(shù)脂酸）和其他重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于造紙、油漆、合成橡膠、涂料、紡織、醫(yī)藥、食品、肥皂、印染等多個(gè)領(lǐng)域［76-77］，加工后又可作為高品質(zhì)的生物燃料［78］。在受到生物或非生物刺激后，針葉樹(shù)會(huì)從樹(shù)脂道中釋放松脂，并誘導(dǎo)松脂合成，因此，松脂在針葉樹(shù)的防御系統(tǒng)中也起重要的作用［79-83］。

相較于被子植物，裸子植物異戊烯基轉(zhuǎn)移酶基因的研究較少，目前已從銀杏中克隆到的有GbIDS1、GbIDS2-1、GbIDS2（登陸號(hào)分別為：DQ251631、DQ251632 和DQ251633）［68］， 和GbFPPS（登陸號(hào)：AY389818）［84］；表1 是從部分針葉樹(shù)中克隆到的異戊烯基轉(zhuǎn)移酶基因，對(duì)白云杉過(guò)表達(dá)IDS基因，研究發(fā)現(xiàn)單萜與二萜酸的含量無(wú)顯著變化，而產(chǎn)生大量的香葉基香葉基脂肪酸酯（Geranylgeranyl fatty acid esters）用于抵御模毒蛾（Lymantria monacha）［85］；從挪威云杉中克隆出3 個(gè)IDS基因，其純化的重組蛋白分析表明，其中一個(gè)基因編碼FPPS，另外兩個(gè)編碼GGPPS，而這3個(gè)基因中，只有一個(gè)參與松脂的生物合成［86］；Liao等［87］在曼地亞紅豆杉中分離出FPPS基因，并發(fā)現(xiàn)重組FPPS 蛋白能催化IPP 底物縮合生成FPP；Burke 等［88-89］在冷杉中分離出GPPS與GGPPS基因，發(fā)現(xiàn)重組GPPS 與GGPPS 蛋白可以催化IPP 和DMAPP 底物分別生成GPP 與GGPP；從加拿大紅豆杉中克隆了GGPPS基因，并在茉莉酸甲酯（Methyl Jasmonate）處理后檢測(cè)到GGPPS 與紫杉烯合酶（Taxadiene synthase）的活性有較大提高［90］；陳博雯等［91］從馬尾松中分離出GGPPS基因，僅對(duì)其進(jìn)行生物信息學(xué)分析，未對(duì)酶功能作鑒定；錢(qián)丹等［92］從海南粗榧（Cephalotaxus mannii）克隆了GGPPS基因，用真菌和細(xì)菌的激發(fā)子以及茉莉酸甲酯處理海南粗榧，均發(fā)現(xiàn)GGPPS基因的表達(dá)量上升，但程度和持續(xù)時(shí)間有所不同。

6 展望

圖3 不同植物異戊烯基轉(zhuǎn)移酶基因系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)

類(lèi)異戊二烯化合物及其衍生物萜烯類(lèi)物質(zhì)功能復(fù)雜，在藥物、農(nóng)林業(yè)等各個(gè)行業(yè)有著極大的應(yīng)用前景，因此了解它們的生物合成方式并研究其合成途徑中的關(guān)鍵酶及其基因，是推動(dòng)這些化合物應(yīng)用的基礎(chǔ)。同時(shí)，由于很多針葉樹(shù)種含有以類(lèi)異戊二烯的衍生物萜類(lèi)為主要成分的松脂，不僅能為產(chǎn)脂的林業(yè)化學(xué)工業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且是針葉樹(shù)抵御許多有害生物的重要自源物質(zhì)［93］，如松樹(shù)萎蔫病是由松材線蟲(chóng)引起的一種嚴(yán)重威脅森林安全的毀滅性松樹(shù)病害，據(jù)國(guó)家林業(yè)和草原局2019 年第4號(hào)公告顯示，松材線蟲(chóng)病在全國(guó)18 個(gè)省（直轄市、自治區(qū)）588 個(gè)縣級(jí)行政區(qū)發(fā)生危害面積64.93 萬(wàn)hm2；自我國(guó)1982 年首次發(fā)現(xiàn)30 多年來(lái)累計(jì)造成數(shù)十億株松樹(shù)死亡，經(jīng)濟(jì)損失上千億元，我國(guó)包括絕大部分馬尾松林在內(nèi)的廣大面積松林正面臨著松材線蟲(chóng)病爆發(fā)的嚴(yán)重威脅，當(dāng)下對(duì)之仍束手無(wú)策。但有研究表明α-異松油烯和β-水芹烯對(duì)松材線蟲(chóng)繁殖有較強(qiáng)抑制，并且β-水芹烯與莰烯具有殺線蟲(chóng)活性［94］。而目前對(duì)于類(lèi)異戊二烯生物合成的相關(guān)報(bào)道相對(duì)少，因此研究其合成的分子機(jī)制可為樹(shù)木高產(chǎn)脂和抗性遺傳育種提供理論依據(jù)。

近年來(lái)，研究者已在多種植物中分離出類(lèi)異戊二烯化合物生物合成的關(guān)鍵酶基因GPPS、GGPPS、FPPS與GFPPS，并分析其功能，但大多數(shù)研究只針對(duì)單個(gè)基因的克隆及表達(dá)，缺乏對(duì)通路上相關(guān)基因的綜合深入研究，而事實(shí)上相關(guān)多基因互作對(duì)于其整體的表達(dá)水平影響更為廣泛。此外，對(duì)于類(lèi)異戊二烯化合物生物合成酶的功能鑒定，大部分研究仍停留于對(duì)模式植物擬南芥和煙草的分析，很少在同源植物上進(jìn)行過(guò)表達(dá)及功能鑒定，也未能將研究成果運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中。可見(jiàn)今后極有必要通過(guò)前沿性的組學(xué)研究手段，進(jìn)一步闡明重要造林樹(shù)種（特別是主產(chǎn)松脂的松類(lèi)樹(shù)種）類(lèi)異戊二烯化合物生物合成的相關(guān)機(jī)制。

目前，這些基因的研究主要集中于被子植物，裸子植物中的相關(guān)研究較少，且對(duì)于異戊烯基轉(zhuǎn)移酶在裸子植物中進(jìn)行功能方面的鑒定鮮見(jiàn)報(bào)道，可能是由于多數(shù)裸子植物的遺傳轉(zhuǎn)化體系還未成功建立，離體培養(yǎng)植株再生是其組織培養(yǎng)中難度較大的一個(gè)領(lǐng)域，還有待于進(jìn)一步深入研究，并實(shí)現(xiàn)技術(shù)的熟化。此外，類(lèi)異戊二烯化合物生物合成酶的相關(guān)研究（包括分離提純、理化性質(zhì)分析、催化機(jī)制研究等）也有待深入，以便能為人類(lèi)在模擬生物合成領(lǐng)域拓展新思路，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用類(lèi)異戊二烯化合物創(chuàng)造條件。

表1 針葉樹(shù)中已克隆的部分異戊烯基轉(zhuǎn)移酶基因