植物萜烯類合成的轉錄調控研究進展

韓 婷，杜 方

（山西農業大學園藝學院，山西太谷030801）

萜烯類物質是植物體內一種重要次生代謝物，是花香揮發物的重要成分[1]，也是花器官引誘昆蟲授粉或自我保護[2]的主要物質，具有較高的生態價值[3]。研究表明，萜烯類物質具有藥用價值，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的產量很有必要。多數植物體內萜烯類生物合成途徑已基本明確，其中有多個限速酶且限速步驟難以確定，通過轉錄因子（Transcription factor，TF）激活或抑制萜類合成酶基因的表達可以促進萜烯類物質的合成，因此，萜烯類轉錄因子調控機制成為研究熱點。本文綜述了不同萜類代謝的轉錄調控研究現狀，旨在更好地促進萜烯類物質的轉錄調控研究。

1 萜烯類物質及相關轉錄因子

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

表1 常見的萜類物質分類

萜類化合物的合成是一個復雜的過程，主要是以異戊烯二磷酸作為底物，通過相應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2條代謝途徑：一條是發生在細胞溶質中的甲羥戊酸（MVA）途徑，該途徑參與倍半萜、三萜等次生代謝產物的生物合成；另一條是發生在質體中的2-C-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸（MEP）途徑，主要參與單萜、二萜等物質的生物合成[9]。

萜類物質的釋放部位包括葉片、根、花瓣和果實（表 2）。釋放量隨品種[10]、發育時期[11]、組織[12]等的不同而發生變化。萜類合成酶基因的表達量直接影響萜類物質的釋放量，而萜類合成酶基因的表達又受到轉錄因子的調控，通過激活[13]或抑制[14]萜類合成酶基因的表達可以影響萜類物質的釋放。如今越來越多的研究由表及里、由淺入深，從影響表型的外部因素轉到內部分子調控機制，轉錄因子已成為萜類研究的重要線索。

表2 植物萜類釋放相關信息

轉錄因子是能與基因5′端上游特定序列專一性結合，從而保證目的基因在特定的強度時空下表達蛋白質。從蛋白質結構分析，TF由DNA結合區、轉錄調控區、寡聚化位點以及核定位信號共4個功能區域組成，通過這些功能區域與啟動子順式元件結合或與其他轉錄因子的功能區域互作[29]。研究轉錄因子一般借助酵母單雙雜、煙草葉片的瞬時表達、Gus染色以及雙熒光素酶分析等試驗進行。常見的調控萜類合成機制的TF家族有6個，包括AP2/ERF、bHLH、WRKY、MYB、NAC和 bZIP[30]。

2 植物單萜轉錄調控研究

研究發現，不同種類植物單萜受不同轉錄因子家族調控，表3給出了部分植物及其調控單萜的轉錄因子。PbbHLH4和PbbHLH6過表達可以增加蝴蝶蘭單萜物質的釋放量，香味顯著增強[24]。bHLH類[31-34]、AP2/ERF 類[35-37]、WRKY 類[38]轉錄因子與單萜吲哚生物堿途徑相關基因啟動子結合后可促進長春花長春質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個家族的轉錄因子[39]都可能影響佛手檸檬烯等單萜物質的釋放量。CitERF71激活萜類合成酶基因CiTPS16表達從而促進甜橙香葉醇的釋放[28]。LiMYB、LibZIP、LiGeBP、LiSBP-2、LiERF-1和LiERF-2等轉錄因子可能會影響薰衣草中單萜物質芳樟醇和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個轉錄因子[41]可能與單萜芳樟醇和乙酸芳樟酯釋放相關，推測不同的品種間釋放的單萜物質不同可能是受不同轉錄因子調控的結果。除了上述正調控因子之外，植物中也存在一些負調控因子，如對長春花中AP2/ERF類轉錄因子CR1沉默后，可以促進文多靈和蛇根堿的釋放量上升[42]；bZIP家族的轉錄因子CrGBF1和CrGBF1會抑制Str基因的表達，從而降低長春堿的合成[14]。此外，大豆[43]和綠薄荷[44]中均存在MYB家族的抑制型轉錄因子，分別抑制長春質堿和松萜的含量。

表3 部分植物單萜調控中的轉錄因子

3 植物倍半萜轉錄調控研究

青蒿素是倍半萜中的主要研究物質，由于ABA、JA、SA均會提高青蒿素的含量，所以在其試驗中一般與這些生長調節劑相結合，共同分析基因功能。表4給出了調控倍半萜的轉錄因子，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]等不同家族的轉錄因子能夠激活青蒿素合成途徑基因的表達，提高青蒿素的產量。MYB類轉錄因子與SICOS1基因共表達，可能會在和青蒿同為菊科的雪蓮木香烴內酯合成途徑中發揮重要的作用，但具體調控作用仍有待進一步研究[56]。R2R3-MYB轉錄因子抑制MsGPPS表達從而抑制綠薄荷倍半萜的含量[44]。bHLH轉錄因子MYC2可以直接與TPS21和TPS11基因的啟動子結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）是一種倍半萜環化酶，能合成棉酚，而轉錄因子GaWRKY1能結合CAD1啟動子中的W-box調控棉花棉酚的含量[58]。過表達轉錄因子HAC1能夠增加畢氏菌株倍半萜物質橙花醇的含量[59]。轉錄因子除了單獨作用，也可能存在不同家族轉錄因子進行共同激活或抑制基因，從而調控植物萜烯類的釋放量。在細胞中過表達TwTGA1時增加了倍半萜吲哚生物堿，茉莉酸甲酯處理進一步增強了生物堿的含量，但是對TwTGA1進行RNA干擾，并沒有顯著影響生物堿的產量，說明還存在其他具有重疊功能的TGA[60]，可能存在轉錄因子的共表達。

表4 部分植物倍半萜調控中的轉錄因子

4 植物二萜轉錄調控研究

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

表5 部分植物二萜調控中的轉錄因子

5 植物三、四萜轉錄調控研究

對于三萜、四萜的研究還不是非常深入，表6給出了調控植物三、四萜的轉錄因子。據報道，三、四萜合成途徑關鍵酶主要通過bHLH家族來進行調控，bHLH家族轉錄因子Bl和Bt均可以促進Bi基因的表達從而分別在黃瓜葉子和果實中提高葫蘆素的含量[70]；bHLH家族的TSAR1和TSAR2通過直接與HMGR1啟動子上的N-box結合來促進蒺藜狀苜蓿三萜皂苷的合成[71]；BpbHLH9會促進白樺中樺木酸的合成[72]；GubHLH3積極地調控大豆皂苷生物合成基因CYP93E3和CYP72A566，從而促進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類轉錄因子MYB7被發現激活AdLCY-b基因的啟動子從而增加美味獼猴桃類胡蘿卜素的含量[74]，ERF轉錄因子SlAP2a[75]、SIERF6[76]減少了番茄類胡蘿卜素的積累量。三、四萜類物質研究較其他萜類少，相關轉錄因子種類較少，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、四萜調控中的轉錄因子

6 結論

萜烯類物質作為一種重要的植物次生代謝物，在植物生長發育、醫學、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的產量，但對其調控機制尚未明確，通過轉錄因子來調節基因表達量從而加大萜烯類物質合成量就顯得很有價值。本文從單萜、倍半萜、二萜、三四萜這4個方面綜述了其生物合成調控所需的轉錄因子。萜類物質不同，調控其產量的轉錄因子各有不同，但基本都屬于同一轉錄因子家族，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控作用。萜類物質的合成也會受轉錄因子共表達的調控。目前研究多集中在雙子葉植物萜類合成調控機制，且多集中于唇形科植物，可能是因為唇形科植物含有芳香油且具有一定的藥用價值，但是對可能存在潛在開發價值的單子葉植物（如百合及蝴蝶蘭）研究甚少，且對轉錄因子作用強度的鑒定也不透徹。

隨著植物基因組學的發展以及研究體系的逐漸完善，越來越多的萜烯合成途徑相關基因及轉錄因子將被鑒定，萜烯類物質所延伸的領域勢必越來越廣。