張嬋 姚廣龍 張軍鋒 于靖 楊東梅 陳萍 吳友根
(海南大學園藝學院,???571100)
廣藿香(Pogostemon cablin)是一種藥用芳香類草本植物,為首批“嶺南地道藥材保護品種”之一。其主要在印度尼西亞、新加坡、越南、馬來西亞、中國等地區(qū)種植[1]。廣藿香油是以廣藿香干燥地上部分經(jīng)蒸餾等方式加工而成[2]。廣藿香油的作用主要有兩類,一是其具備抑菌、消炎、止痛、抗抑郁、抗血小板、抗胃潰瘍、抗光老化等17種藥理功 效[3-6],可入藥;二是其香味獨特且定香功能顯著,可作為香料和食品添加劑[7]。得益于其效用,廣藿香油在日化用品、藥品和食品等行業(yè)中被廣泛應用,市場前景廣闊[7-8]。優(yōu)質的廣藿香油價格可高達1 300元/kg,就零售價而言,其可在全球重要精油中排名第十,經(jīng)濟效益明顯[9-10]。
百秋李醇(patchoulol)是一種倍半萜,為廣藿香油中的含量最多的組分之一,于1869年以白色晶體形式被分離鑒定[7,11-12]。百秋李醇是《中國藥典》中評價廣藿香及其精油質量的重要指標,也被認為是廣藿香油藥理功效和香味的主要貢獻成分[6]。目前,全球百秋李醇及其混合精油年產(chǎn)量約1 300 t,但年需求量可達2 000 t,供不應求。其中90%的產(chǎn)量由印度尼西亞供應,而中國的產(chǎn)量不到10%,上升空間極大[10,13]。提高百秋李醇的產(chǎn)量成為廣藿香研究中的重點。為此,本文將從百秋李醇的合成途徑、分子調控機制和合成生物學工程三方面綜述近年來的相關研究進展。
在廣藿香中,與百秋李醇合成相關的途徑主要有兩條,一是定位于細胞質的甲羥戊酸(mevalonate,MVA)途徑,二是定位于葉綠體的甲基赤蘚糖-4-磷酸(methylerythritol-4-phosphate,MEP)途徑,兩者均可產(chǎn)生異戊烯基焦磷酸(isopentenyl diphosphate,IPP)及其異構體二甲基烯丙基焦磷酸(dimethylallyl diphosphate,DMAPP),IPP可與DMAPP反應生成法呢基焦磷酸(farnesyl diphosphate,F(xiàn)PP)、牻牛兒基焦磷酸(geranyl diphosphate,GPP)和牻牛兒基焦磷酸(geranylgeranyl diphosphate,GGPP)等合成萜類化合物的直接前體物質[14]。一般情況下,百秋李醇主要是由MVA途徑產(chǎn)生的FPP為前體合成的(圖1)[15]。百秋李醇合成后有兩條去路,一是以混合精油形式在廣藿香花、根、莖、葉的特定細胞中存儲[16];二是以揮發(fā)物形式釋放到外界環(huán)境。
在百秋李醇的合成中有6個關鍵酶(圖1),分別為乙酰CoA酰基轉移酶(PatAACT)、3-羥基-3-甲基戊二酰CoA合成酶(PatHMGS)、3-羥基-3-甲基戊二酰CoA還原酶(PatHMGR)、異戊烯基焦磷酸異構酶(PatIPI)、法呢基焦磷酸合酶(PatFPS)和百秋李醇合酶(PatPTS)等,其中后4個酶已被克隆并進行了功能驗證(表1)。唐云等[17]和盧昌化等[18]構建了pCAMBIA1304-PatFPS和pR101-PatPTS的雙元表達載體發(fā)現(xiàn),過表達PatFPS和PatPTS可促進百秋李醇的合成;Yan等[19]和Zhang等[20]分別構建了基因沉默載體pTRV2-PatIPI和過表達載體pCAMBIA1300-35S-PatHMGR發(fā)現(xiàn),沉默PatIPI會顯著降低百秋李醇含量,而過表達PatHMGR則使百秋李醇含量顯著增多;以上研究表明PatHMGR、PatIPI、PatFPS和PatPTS參與百秋李醇的生物合成。
表1 廣藿香百秋李醇合成途徑中已經(jīng)克隆的酶Table 1 Enzymes cloned in the synthetic pathway of patchoulol in P. cablin
轉錄因子可影響酶基因表達的特異性、時空性和高效性,故其在百秋李醇的合成中也具有重要作用。轉錄因子是一種DNA結合蛋白,常與順式元件結合以調控基因的表達。迄今,與百秋李醇生物合成調控相關的轉錄因子有6類,包括MYB家族(1個)、bHLH家族(2個)、SPL家族(1個)和TH家族(1個)。
MYB是植物中最大的轉錄因子家族,參與次生代謝產(chǎn)物合成調控;Chen等[27]發(fā)現(xiàn)定位于細胞核PatMYB46(PatSWC4),可與PatJAZ4結合調控PatPTS的表達,過表達PatMYB46可顯著上調百秋李醇生物合成途徑中所有酶基因的表達水平,從而提高百秋李醇的含量。MYC轉錄因子是bHLH家族中的一個亞類;Wang等[28]發(fā)現(xiàn)PatMYC2b1和PatMYC2b2均可與PatJAZ6結合影響PatPTS的表達水平,但該研究更側重對PatJAZ6的研究,并沒有對PatMYC2b1和PatMYC2b2的生物學特征進行系統(tǒng)分析。TH家族是與光反應調控相關一類轉錄因子;Li等[29]發(fā)現(xiàn)廣藿香中的16個PatTH的組織表達模式有所不同,PaTH1,4,7,8,9,15在葉中表達最高,PatTH3和PatTH6則分別主要在莖和根中表達;進一步分析表明PatGT-1可與PatHMGR的啟動子結合,抑制其表達;且在廣藿香中過表達PatGT-1會抑制百秋李醇合成途徑所有酶的表達,從而抑制百秋李醇的合成[29]。SPL是植物特有轉錄因子家族,其最大的特征是具備miRNA156/157識別位點,miRNA156/157可通過mRNA剪切或翻譯抑制等作用,調控SPL基因的表達水平;Yu等[30]發(fā)現(xiàn)SPL10可調控廣藿香中PatPTS的表達,以促進百秋李醇的合成,驗證發(fā)現(xiàn)過表達SPL10(At1g27370)可顯著提高百秋李醇的含量。此外,與廣藿香相關還有WRKY家族;唐云等[31]克隆了PatWRKY40和PatWRKY53兩個基因;其中PatWRKY40在廣藿香中的表達具有組織表達差異性,在葉中表達量最高,其次為花和莖;但對于兩者是否參與百秋李醇的合成調控還不清楚。
轉錄因子可激活特定代謝通路中多個基因的協(xié)同表達,改造轉錄因子提高藥用植物中活性物質產(chǎn)量的方法,可彌補單個基因或多個基因改造后出現(xiàn)的效果不足、甚至致死的現(xiàn)象[32]。系統(tǒng)了解與百秋李醇生物合成相關酶及轉錄因子的作用,對提高廣藿香中百秋李醇含量具有重要意義。
百秋李醇本質上是一種倍半萜,其合成主要受兩方面因素的調控,一是生物因素,包括發(fā)育階段、組織特異性等;二是非生物因素,如外源植物激素、晝夜節(jié)律、溫度和礦質因子等。本部分將重點介紹外源植物激素、發(fā)育階段與晝夜節(jié)律等調控百秋李醇合成的分子機制。
外源植物激素是人為施加,可在一定范圍內(nèi)促進或抑制植物生長發(fā)育等過程的有機化合物。在廣藿香研究中涉及過5種植物激素[27],包括茉莉酸類、脫落酸、乙烯、水楊酸和赤霉素,其中以茉莉酸類的研究最為深入。茉莉酸類物質(jasmonates,JAs)主要包括茉莉酸和茉莉酸甲酯(methyl-jasmonate,MeJA)等,在茉莉酸信號通路中作為信號分子發(fā)揮作用[33]。當外界脅迫發(fā)生后,JAs可迅速合成并轉運至細胞核,與抑制子JAZ(jasmonate ZIM domain protein)和E3泛素化酶SCFCOI1組成的共接受子結合,引起JAZ蛋白的泛素化降解,釋放與之結合的轉錄因子,從而激活或抑制次生代謝產(chǎn)物合成途徑關鍵酶基因的表達[34]。
多項研究表明JAs可調控廣藿香百秋李醇的生物合成。何夢玲等[35]率先發(fā)現(xiàn)MeJA可促進廣藿香中百秋李醇的合成。Chen等[36]發(fā)現(xiàn)MeJA可上調PatHMGR1和PatHMGR2(MAV途徑)、PatDXS和PatHDR(MEP途徑)以及PatPTS等基因的表達。Tang等[14]發(fā)現(xiàn)以MeJA處理6 h,可顯著上調PatATCC、PatHMGR、PatMVD、PatFPS等4個基因的表達水平,且百秋李醇的含量顯著增多。但要注意,不同的處理時間產(chǎn)生的結果有差異。如Li等[30]以MeJA處理12 h后,會上調PatGT-1的表達水平。
JAZ蛋白通常作為茉莉酸信號通路中的抑制子,在JAs調控的百秋李醇合成中具有重要作用。Chen等[36]發(fā)現(xiàn)MeJA可顯著上調PatJAZ2,3,4,6,11等5個基因的表達,或與百秋李醇的含量增多相關。Wang等[29]在廣藿香中過表達PatJAZ6,可抑制PatPTS、PatMYC2b1、PatMYC2b2的表達;深入分析發(fā)現(xiàn)PatJAZ6可與PatMYC2b1或PatMYC2b2結合,負調控PatPTS的表達,而MeJA可與PatJAZ6結合,使其在SCFCOI1的作用下泛素化,隨后被26S蛋白酶體降解,釋放PatMYC2b1和PatMYC2b2,激活PatPTS的表達(圖1)。近期,Chen等[27]發(fā)現(xiàn)PatJAZ4可與PatMYB46結合,負調控PatPTS的表達,而MeJA也可逆轉其負調控效果(圖1)。鄧靜文等[37]研究表明PatJAZ2是響應MeJA誘導百秋李醇合成的主要順式元件,其可激活倍半萜合成途徑PatFPS基因的協(xié)同表達,影響百秋李醇的合成情況。
圖1 廣藿香百秋李醇合成途徑與分子調控模式圖[27-30]Fig. 1 Synthetic pathway and molecular regulation model of patchoulo in P. cablin[27-30]
綜上可知,植物激素MeJA調控百秋李醇的機制主要有兩方面:一是調控百秋李醇合成途徑PatHMGR、PatFPS、PatIPI等基因的表達,促進前體物質的合成,間接影響百秋李醇的合成;二是通過影響相應轉錄因子與抑制子的結合情況,調控PatPTS的表達,直接影響百秋李醇的合成。但以上研究中均以葉片中存儲的百秋李醇作為實驗指標,忽略了釋放到環(huán)境中的百秋李醇,這或對已有結果造成一定的影響。
廣藿香百秋李醇的合成具有時間特異性,主要在兩方面展現(xiàn),一是晝夜節(jié)律性(短期),即在同一天的不同時刻產(chǎn)生的規(guī)律變化;二是發(fā)育階段性(長期),即隨不同生長時期而產(chǎn)生規(guī)律的變化。劉璐等[38]發(fā)現(xiàn)百秋李醇的合成受晝夜變化的影響,廣藿香中百秋李醇的含量分別于00:00和12:00達到最低和最高;從00:00到06:00點,其含量先急劇上升后下降;從12:00到21:00點則相反。羅集鵬等[39]和Yu等[28]檢測到廣藿香葉片和莖中的百秋李醇含量會隨著生長期推進而增加。
百秋李醇合成受發(fā)育階段調控的現(xiàn)象,在不同組織中保守程度也有所差異。Quyang等[40]發(fā)現(xiàn)葉片中百秋李醇合成受發(fā)育階段調控的現(xiàn)象,在中國和印度尼西亞兩個品種之間是相對保守的,而莖中該現(xiàn)象在兩個品種之間卻有所變化,表明發(fā)育階段調控的百秋李醇合成受品種和組織特異性的影響。SPL是調控植物生長轉變的一類重要轉錄因子,Yu等[28]發(fā)現(xiàn)在廣藿香中過表達SPL10(At1g27370)可顯著提高百秋李醇的含量,而過表達miRNA156則相反(圖1),這表明miRNA156與SPL轉錄因子參與百秋李醇的合成調控。miRNA156可抑制SPL的表達,這可能是出現(xiàn)過表達miRNA156和SPL10效果不同的原因。
綜上,發(fā)育階段和晝夜節(jié)律可調控廣藿香百秋李醇的生物合成,且受栽培品種和組織特異性的影響,而miRNA156靶標的SPL10在發(fā)育階段調控百秋李醇的生物合成中具有重要作用。但該研究中使用的SPL10是擬南芥At1g27370,對于廣藿香中SPL轉錄因子在百秋李醇合成調控中的作用仍不清楚。
百秋李醇的獲取主要有兩種方式,一是從廣藿香中天然萃取,二是以合成生物學工程生產(chǎn)。植物提取法效率低、產(chǎn)量少、穩(wěn)定性差,不能滿足市場需求,合成生物學工程生產(chǎn)萜類化合物效率高、經(jīng)濟環(huán)保且供應穩(wěn)定性好,成為了獲取百秋李醇的熱門手段。本部分將從以下3方面介紹近年來百秋李醇合成生物學的相關進展。
底盤細胞的構建是異源合成百秋李醇的第一步。底盤細胞是參照工程學理念置入特定功能的人工生物系統(tǒng)。迄今,可用于合成百秋李醇的底盤細胞有7種,包括微生物(釀酒酵母、谷氨酸棒桿菌、莢膜紅螺菌)和植物(煙草、萊茵衣藻、小立碗蘚、地錢)(表2)。
表2 用于合成百秋李醇的7種生物底盤Table 2 Seven biological chassis used to synthesize patchoulol
3.1.1 微生物來源的底盤細胞構建 釀酒酵母是最早用來生產(chǎn)百秋李醇的底盤細胞,其構建策略主要可分為以下4方面[51]:一是過表達MVA途徑關鍵酶,增加前體物質FPP的供應;二是替換基因元件的啟動子,下調其他競爭通路;三是敲除負調控因子,抑制非目標產(chǎn)物;四是過表達百秋李醇合酶(PatPTS)。已有報道中,常同時采用上述多個策略構建底盤生產(chǎn)百秋李醇。Asadollahi等[44]將MET3替換角鯊烯合酶(ERG9)的啟動子,減少FPP流向其他通路,卻使法尼醇合成增多,以致百秋李醇產(chǎn)量提高不明顯。Gruchattka等[42]敲除釀酒酵母丙酮酸脫氫酶旁路中的α-酮戊二酸脫氫酶,增加檸檬酸循環(huán)轉向萜類的代謝通量,過表達FPS(ERG20)和tHMGR(源自酵母)后,百秋李醇產(chǎn)量提高明顯,達41.6 mg/L。Ma等[9]首先將tHMGR、IPI和upc2-1整合到酵母基因組,增強MVA代謝通路;然后以HXT1弱化角鯊烯合酶(ERG9)的表達,敲除編碼焦磷酸酶的DPP1和LPP1;并調整葡萄糖濃度以控制百秋李醇和角鯊烯代謝流,使百秋李醇產(chǎn)量達466.8 mg/L,是已有報道中最高的。
莢膜紅螺菌和谷氨酸棒桿菌是合成百秋李醇的新型細菌底盤,二者沒有MVA途徑,因此必須重構法尼基焦磷酸合成模塊,才能合成百秋李醇。Troost等[45]在Rhodobacter capsulatus SB1003中加入nifHDK操縱子的Pnif啟動子,使重組表達模塊僅在光照和銨耗竭的情況下被誘導;后構建包含1-脫氧-D-木酮糖5-磷酸(DXP)模塊,甲羥戊酸通路(MVA)模 塊(源 自Paracoccus zeaxanthinifaciens)和異戊二烯基磷酸酯(IDI)模塊(源自Rhodobacter sphaeroides)的工程菌Rhodobacter capsulatus SB1003-MAV,過表達3個模塊中的限速酶DXS、IDI、IspA基因后,百秋李醇的產(chǎn)量被提高了126倍,該研究首次在細菌中建立可嚴格控制的光反應平臺。crtE和idsA是谷氨酸棒桿菌GGPP的編碼基因,Henke等[2]構建了ΔcrtEΔidsA谷氨酸棒桿菌,并重構法尼基焦磷酸合成模塊,異源表達大腸桿菌的法尼基焦磷酸合酶基因(ispAEc)和PatPTS,百秋李醇產(chǎn)量達60 mg/L。谷氨酸棒桿菌和莢膜紅螺菌主要是通過質粒驅動異源表達,尚未見將反應元件整合至DNA中的報道。
3.1.2 植物來源的底盤細胞構建 煙草是最早用于合成百秋李醇的植物底盤,而萊茵衣藻、小立碗蘚和地錢3種低等植物是合成百秋李醇的新型底盤,四者特點見表2。Wu等[46]將PatPTS和FPS在煙草葉綠體中靶向表達,率先實現(xiàn)以煙草合成百秋李醇,但該研究側重的是提高煙草抗蟲性,對以其生產(chǎn)百秋李醇方面并未深入研究。Lauersen等[47]使用核基因改造的新策略,在潮霉素抗性載體轉基因的萊茵衣藻基礎上,將3個拷貝(3X)PatPTS基因整合至DNA上,百秋李醇的產(chǎn)率是1XPatPTS核轉基因底盤的4倍。Zhan等[49]率先在小立碗蘚中非靶向表達PatPTS,過表達tHMGR(源自小立碗蘚),百秋李醇產(chǎn)量達 59 μg/g CDW;小立碗蘚僅含兩個二萜合酶編碼基因CPS/KS,但Zhan等[49]發(fā)現(xiàn)敲除CPS/KS并不能提高百秋李醇的合成。周璐等[50]分別將強啟動子35S和CVM與FPS(源自地錢)和PatPTS連接,在地錢中共表達兩個基因后,百秋李醇產(chǎn)量為655.21 μg/g CDW,是植物底盤中報道最高的。
植物底盤細胞具有調控系統(tǒng)精密、經(jīng)濟環(huán)保等特點,但以其為底盤生產(chǎn)百秋李醇的產(chǎn)量較低且提高幅度慢。目前,在微生物底盤中,釀酒酵母已可生產(chǎn)商用的百秋李醇,但該產(chǎn)品為瑞士Firmenich公司所擁有[52];而在植物底盤中,地錢的潛力最大,但其產(chǎn)量仍未達到商業(yè)化的要求。
合成元件的設計和組裝是實現(xiàn)百秋李醇異源合成的第二步,該部分的研究內(nèi)容可分為兩方面:一是合成元件的設計,即基因元件密碼子的優(yōu)化。如Henke等[2]、Troost等[45]和Asadollahi等[44]均 對PatPTS的密碼子進行優(yōu)化,使其能在谷氨酸棒桿菌、莢膜紅螺菌和釀酒酵母中異源表達。Zhan等[49]在小立碗蘚中,以35S啟動子控制HMGR的表達。Mitsui等[41]以S. cerevisiae和Hansenula polymorpha中15個啟動子等對MVA途徑中的6個關鍵酶的啟動子進行優(yōu)化。二是設計合成元件組合模式,即優(yōu)化不同基因元件的組合方式。如Lauersen等[47]在萊茵衣藻中共表達PatPTS和FPP、PatPTS和ispAEc、PatPTS和FPP,以PatPTS和ispAEc的表達效果最好。Wu等[46]比較了2tpPatPTS、2tpFPSPatPTS、2tpPatPTS-tpFPS靶向煙草葉綠體后百秋李醇的合成情況,效果最好的是2tpPatPTStpFPS。Troost等[45]評 估 了PatPTS-IspA、PatPTSDXS、PatPTS-idi、PatPTS-MVA、PatPTS-ispA-dxs、PatPTS-ispA-dxs-idi、PatPTS-ispA-dxs-idi-MVA等不同組合生產(chǎn)百秋李醇的效果,其中雙基因組合PatPTSIspA和多基因組合PatPTS-ispA-dxs-idi的產(chǎn)量分別是對照的96倍和115倍,效果最佳。
合成反應的優(yōu)化和提升是實現(xiàn)百秋李醇異源生產(chǎn)的最后一步。目前,百秋李醇合成生物學工程中主要采用了4種優(yōu)化策略。
3.3.1 關鍵酶基因元件的優(yōu)化 百秋李醇合成通路中具有多個關鍵酶基因,這些元件可通過基因替換、基因元件擴增、基因融合表達、基因簇整合及與耐藥元件組合等方式進行優(yōu)化。如Lauersen等[47]構建了PatPTS-CFP(mCerulean3抗性基因)和PatPTS-YFP(黃色熒光蛋白)的雙重表達系統(tǒng),使百秋李醇產(chǎn)量增加了3倍;此外,其還在萊茵衣藻中表達了3XPatPTS的融合載體,使產(chǎn)量提高4倍[47]。
3.3.2 增加前體底物FPP的供應量 FPP可合成百秋李醇、角鯊烯或法呢醇,抑制FPP的其他代謝通路,可增加其流向百秋李醇的總量。Asadollahi等[44]抑制角鯊烯合酶編碼基因ERG9的表達后,百秋李醇的產(chǎn)量增多。Henke等[2]敲除idsA和crtE,減少DMAPP合成GGPP,促進百秋李醇的合成。
3.3.3 引入亞細胞靶向表達 MVA和MEP途徑分別在細胞質和葉綠體形成不同的萜類前體池,對基因元件的靶向表達,可提高FPP的利用效率。如周璐等[50]分別在FPS和PatPTS的5'端加入RUBISCO蛋白的轉運肽信號序列,使其在地錢葉綠體中靶向表達,百秋李醇的產(chǎn)量顯著增加。Peramuna等[48]在小碗立蘚中,構建了3種細胞質脂質滴蛋白基因與PatPTS共表達的底盤,發(fā)現(xiàn)脂質定位表達的細胞中百秋李醇的保留量得到顯著提高,但百秋李醇的產(chǎn)量并未增加。目前,靶向表達的策略主要針植物底盤,在微生物底盤中開展較少。
3.3.4 培養(yǎng)條件優(yōu)化 優(yōu)化發(fā)酵方式和培養(yǎng)基組成,均可提升百秋李醇的產(chǎn)量。Henke等[2]發(fā)現(xiàn)分批補料發(fā)酵比的震蕩培養(yǎng)效果更好。Lauersen等[47]發(fā)現(xiàn)萊茵衣藻利用不同碳源生產(chǎn)百秋李醇效果不同,以CO2、乙酸鹽、CO2加乙酸鹽為唯一碳源時,百秋李醇濃度分別為351 μg/L、363 μg/L以及435 μg/L,同時添加CO2和乙酸鹽的效果最佳。
廣藿香中百秋李醇含量低,是限制其規(guī)?;_發(fā)與利用的關鍵。利用合成生物學工程生產(chǎn)百秋李醇,不受環(huán)境和土地面積的制約,可穩(wěn)定百秋李醇的價格及供應情況,農(nóng)業(yè)應用價值高;而了解百秋李醇合成途徑及分子調控機制,可為合成生物學工程的開展奠定基礎;雙管齊下,才有望解決百秋李醇供不應求的問題。結合當前研究現(xiàn)狀,對未來研究方向提出以下幾點建議。
目前,廣藿香中已鑒定的轉錄因子僅針對PatPTS、PatHMGR兩個酶,與其他關鍵酶互作的轉錄因子仍然未知;轉錄因子的活性可受磷酸化、乙?;揎椉盎プ鞯鞍椎挠绊?,但在該方面尚未見的相關報道;深入了解轉錄因子,有助于解析百秋李醇的分子調控機制,促進其合成生物學工程的開展。
百秋李醇的合成與上游信號轉導通路的密不可分。百秋李醇受茉莉酸信號的調控,其他激素信號(如乙烯、脫落酸、水楊酸等)在百秋李醇生物合成中的作用仍不清楚,這些信號可否交叉調控百秋李醇的生物合成。萜類物質的合成受多種因素的影響,因此,有必要揭示其復雜的調控機制。
利用環(huán)境信號(光、溫度)與內(nèi)源信號(群體感應、壓力)建立可嚴格控制的人工生物系統(tǒng),是未來發(fā)展的趨勢;尋找更高產(chǎn)的底盤細胞,設計更高效反應元件裝配組合,提高元件、裝置、和底盤之間的適配性有助于提高百秋李醇產(chǎn)量;可結合兩方面內(nèi)容深入研究。