金蕾 張大生 劉卓星 石建新 許杰 王紀(jì)忠 崔麗潔

摘要：花香作為觀賞植物的一種主要性狀，不僅可以吸引授粉者幫助植物繁殖，還可以提高植物的觀賞性，同時花香也是植物抵御各種生物、非生物脅迫的重要機(jī)制?；ㄏ阌梢幌盗械头肿恿?、易揮發(fā)的化合物組成。不同種類植物的花香揮發(fā)物的成分及含量不同。按照合成代謝途徑花香揮發(fā)物可分為萜烯類化合物、苯丙烷類/苯環(huán)型化合物和脂肪族化合物等三大類。本文對現(xiàn)階段植物花香產(chǎn)生的代謝途徑以及調(diào)控基因與分子機(jī)制的研究進(jìn)行了簡要綜述，并對今后的植物花香基因工程研究進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：花香;代謝途徑;調(diào)控基因;分子機(jī)制;基因工程

中圖分類號： S184 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）23-0051-09

花香是植物的重要性狀之一，來源于植物體內(nèi)具有揮發(fā)性的化合物，通常是一些親脂性物質(zhì)[1]。這些具有揮發(fā)性的化合物不僅是參與植物體內(nèi)各種次生代謝的重要物質(zhì)，還是植物直接或間接抵御外來侵略的一種方式[2]，還可以吸引昆蟲授粉，提高種族的生殖繁衍和適應(yīng)性[3]。花朵的不同部位都有可能散發(fā)出香氣，但有些植物的花香化合物只存在于特定的花器官中[4-5]。相對于花型、花色等觀賞性狀，花香的研究相對滯后。近幾年，隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外對花香的生物合成途徑及其物質(zhì)成分研究逐漸深入，花香基因工程已經(jīng)成為當(dāng)前植物研究的一個新熱點(diǎn)。本文主要對花香的代謝途徑以及分子調(diào)控機(jī)制等相關(guān)研究進(jìn)行簡要的概述，并對今后的花香研究進(jìn)行展望。

1 花香化合物的合成代謝途徑

植物花香化合物的合成屬于次生代謝途徑[3，6]，由不同組織中的酶共同合作完成[7]?；ㄏ阌稍S多低分子量的揮發(fā)性成分組成，是花朵釋放的次生代謝產(chǎn)物?；ㄏ銚]發(fā)物按照合成代謝途徑可分為萜類化合物、苯丙烷類/苯環(huán)型化合物、脂肪族化合物等三大類，還會有其他一些含氮或硫的化學(xué)物質(zhì)[3]。其中萜類化合物是對花香影響最大的一類化合物，也是目前國內(nèi)外研究最為深入的一類。

1.1 萜類化合物的合成代謝途徑

萜類化合物是目前最多樣化的天然化合物，在自然界中廣泛存在。它們不僅對植物的氣味有影響，還會對植物花色產(chǎn)生一定的影響[8]。所有的異戊二烯類化合物均來自于共同的前體異戊烯二磷酸（IPP）。萜類化合物的合成是由異戊二烯單元（C5）在細(xì)胞質(zhì)或質(zhì)體中通過甲羥戊酸（mevalonate pathway，MVA）途徑和甲基赤蘚醇磷酸（methylerythritol 4-phosphate pathway，MEP）途徑縮合而成，形成單萜（C10）、倍半萜（C15）、二萜（C20）等化合物及其衍生物的前體物質(zhì)[9-10]。異戊二烯類化合物還是植物激素的主要或部分來源，如脫落酸（abscisic acid，ABA）、赤霉素（GA）、細(xì)胞分裂素（CTK）和油菜素甾醇（brassinosteroid，BR）等[11]。這些激素對植物的生長發(fā)育起著重要的調(diào)節(jié)控制作用。

1.1.1 MVA途徑 在細(xì)胞質(zhì)和線粒體中，萜烯類化合物通過MVA途徑合成。即起始反應(yīng)由乙酰輔酶A（acetyl-coenzyme A）經(jīng)過乙酰乙酰硫解酶（acetoacetyl-CoA thiolase，AACT）催化，在可逆反應(yīng)中將2個乙酰CoA分子縮合形成乙酰乙酰輔酶A（acetoacetyl-CoA），乙酰乙酰輔酶A被羥甲基戊二酰合成酶（hydroxymethylglutaryl-CoA synthase，HMGS）轉(zhuǎn)化為3-羥基-3-甲基戊二?；?輔酶A（3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A，HMG-CoA），HMG-CoA以還原型輔酶Ⅱ（NADPH）為還原劑經(jīng)過2個還原步驟轉(zhuǎn)化生成MVA[12-14]。甲羥戊酸激酶（mevalonate kinase，MK）和磷酸甲羥戊酸激酶（phosphomevalonate kinase，PMK）在腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）的作用下將MVA磷酸化為MVA-5-二磷酸（mevalonate-5-diphosphate，MVAPP），最后在MVA焦磷酸脫羧酶（mevalonate pyrophosphate decarboxylase，MPD）的作用下生成異戊烯基二磷酸（isopentenyl diphosphate，IPP）。之后在IPP在異戊烯基二磷酸異構(gòu)酶（isopentenyl diphosphate isomerase，IDI）的作用下生成二甲烯丙基二磷酸（dimethylallyl diphosphate，DMAPP）[15-17]。IPP和DMAPP是所有萜類化合物的前體物質(zhì)。

1.1.2 MEP途徑 MEP途徑也稱為1-脫氧木酮糖-5-磷酸途徑（1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate pathway，DXP）。MEP途徑在質(zhì)體中產(chǎn)生IPP和DMAPP[18-19]。MEP途徑由羥乙基硫胺素和D-甘油醛-3-磷酸（D-glyceraldehyde-3-phosphate，GA-3P）的C1醛基縮合而成。縮合反應(yīng)經(jīng)過中間體1-脫氧-D-葡萄糖-5-磷酸合成酶（1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate aynthase，DXS）催化，釋放出CO2，使碳進(jìn)入MEP途徑，該反應(yīng)不可逆。第2步經(jīng)過DXP還原異構(gòu)酶（1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate reductoisomerase，DXR）催化DXP分子重排和還原，轉(zhuǎn)化為MEP。之后MEP在由2-C-甲基-D-赤蘚醇-4-磷酸胞苷酰轉(zhuǎn)移酶（2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate cytidylyltransferase，MCT）的催化下，通過CTP依賴反應(yīng)轉(zhuǎn)化為4-（5′-焦磷酸胞苷）-2-C-甲基-三乙醇[4-（cytidine 5′-diphospho）-2-C-methyl-D-ery-thritol，CDP-ME]，位于CDP-ME C2位的羥基被進(jìn)一步磷酸化為4-（5′-焦磷酸胞苷）-2-C-甲基-赤蘚醇激酶[4-（cytidine 5′-diphospho）-2-C-methyl-D-erythritol kinase，CMK]，之后再經(jīng)過2-C-甲基-赤蘚醇-2，4-環(huán)焦磷酸合成酶（2-C-methyl-D-erythritol2，4-cyclo-PP synthase，MCS）和（E）-4-羥基-3-甲丁-2-烯基二磷酸合成酶[1-hydroxy-2-methyl-2-（E）-butenyl-4-PP synthase，HPS]的共同催化生成（E）-4-羥基-3-甲丁-2-烯基二磷酸[1-hydroxy-2-methyl-2-（E）-butenyl-4-PP，HMBPP]，最后由HMBPP還原酶[1-hydroxy-2-methyl-2-（E）-butenyl-4-PP reductase，HDR]催化HMBPP生成IPP和DMAPP[20-22]。

IPP轉(zhuǎn)化為DMAPP以及兩者之間的相互平衡是由于IPP異構(gòu)酶（isopentenyl diphosphate isomerase，IPPI）的存在。DMAPP的主要作用是增強(qiáng)IPP的化學(xué)活性，使IPP可以合成異戊二烯二磷酸脂（prenyl diphosphates，prenyl-PPs）、香葉酰二磷酸（geranyl diphosphate，GPP）、法尼基焦磷酸（farnesyl pyrophosphate，F(xiàn)PP）和牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸（geranylgeranyl diphosphate，GGPP）。最后在萜類合成酶（terpene synthase，TPS）的催化下，將GPP和FPP進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成各種萜烯類化合物[23-24]。

1.2 苯丙烷類/苯環(huán)型化合物的合成代謝途徑

苯丙烷類化合物的合成代謝途徑也是大多數(shù)植物形成次生代謝物的主要途徑之一[3]。相對于萜烯類來說，它調(diào)控的模式更多，也更為復(fù)雜。苯丙烷類化合物的合成主要受莽草酸（shikimic acid，SA）途徑的影響，它是植物次生代謝的主要途徑，并且為次生代謝提供底物[22]。

磷酸戊糖途徑（pentose phosphate pathway）是葡萄糖氧化分解的一種方式，該途徑的中間產(chǎn)物4-磷酸赤蘚糖（erythrose 4-phosphate，E4P）和糖酵解的中間產(chǎn)物磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvic acid，PEP）在3-脫氧-阿拉伯庚酮糖酸-7-磷酸（3-deoxy-d-arabino-heptulosonate-7-phosphate synthase，DAHP）合成酶的催化下經(jīng)過一系列酶促反應(yīng)生成莽草酸[25]。莽草酸通過分支酸（chorismic acid）和預(yù)苯酸（prephenic acid）的轉(zhuǎn)氨作用最終生成苯丙氨酸（phenylalanine）、酪氨酸（tyrosine）和色氨酸（tryptophane）。苯丙氨酸和酪氨酸是苯丙烷類化合物合成的起始分子[26-27]。

苯丙氨酸解氨酶（phenylalaninammo-nialyase，PAL）、肉桂酸在肉桂酸-4-羥基化酶（4-hydroxycinnamic acid，C4H）和4-香豆酰CoA-連接酶（4-coumarate coenzyme A ligase，4CL）是苯丙烷類化合物代謝途徑的3個關(guān)鍵酶[25]。PAL是苯丙烷類代謝途徑中的關(guān)鍵酶和限速酶，PAL催化苯丙氨酸途徑的第1步反應(yīng)。它可以催化苯丙氨酸脫氨生成肉桂酸（cinnamic acid，CA）。肉桂酸在C4H的羥化作用下生成4-香豆酸鹽，C4H是苯丙氨酸途徑的第2步反應(yīng)，需要NADPH和氧的共同作用，研究發(fā)現(xiàn)，C4H對底物有高度的專一性并且與植物的木質(zhì)化密切相關(guān)[28-29]。4CL催化CoA酯合成，如香豆酸、肉桂酸等，之后再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成為木質(zhì)素、類黃酮等次生代謝物，是苯丙氨酸途徑的最后一步反應(yīng)，也是苯丙烷類代謝形成不同產(chǎn)物的分支點(diǎn)[30]。此外還有甲基轉(zhuǎn)移酶（OMT）和酚酶（phenolase）。甲基轉(zhuǎn)移酶主要參與咖啡酸和阿魏酸的甲基轉(zhuǎn)移作用[27]。目前，被廣泛研究的甲基轉(zhuǎn)移酶是咖啡酸-O-甲基轉(zhuǎn)移酶（COMT），COMT在植物木質(zhì)素合成途徑中起到非常重要的作用，并且 COMT可以催化咖啡酸甲基化形成阿魏酸。酚酶主要催化4-香豆酸形成咖啡酸，但是目前對酚酶的研究較少，由于未能將其從植物中分離純化，因此酚酶的本質(zhì)以及其在苯丙烷代謝途徑中的作用至今還不是很清楚[31-32]。

1.3 脂肪酸及其衍生物合成代謝途徑

脂肪酸（fatty acids，F(xiàn)As）是細(xì)胞膜的重要組成成分，是細(xì)胞內(nèi)的能量儲存形式。研究發(fā)現(xiàn)，脂肪酸及其衍生物在植物中參與調(diào)控多種防御途徑，能有效提高植物的抗逆性[33]。乙酰-CoA 羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）、脂肪酸合成酶（fatty acid synthase，F(xiàn)AS）、酰基載體蛋白（acyl carrier protein，ACP）、β-酮脂酰-ACP合酶（β-ketoacyl-CoA synthase，KAS）是目前發(fā)現(xiàn)的脂肪酸生物合成的幾個關(guān)鍵酶，其他還有β-酮脂酰-ACP還原酶、β-羥脂酰-ACP脫水酶、脂酰-ACP脫水酶等等[34-35]。植物中低于18碳的脂肪酸在質(zhì)體中合成，乙酰CoA（acetyl-CoA）是脂肪酸合成的前體物，羧化后的乙酰CoA產(chǎn)生丙二酰CoA（malonyl-CoA）。丙二酰CoA在KAS的作用下不斷進(jìn)行聚合反應(yīng)使碳鏈以每次增加2個碳原子的方式延伸[36-37]。KASⅠ、KASⅡ、KASⅢ分別催化不同的反應(yīng)。KASⅠ作用于碳鏈長度為4～14個碳之間的酰基ACP，KASⅡ是催化丙二酰ACP和棕櫚?；鵄CP合酶（palmitoyl-ACP，C16-ACP）聚合反應(yīng)的酶，該過程會產(chǎn)生硬脂?；鵄CP（stearoyl-ACP，C18-ACP），KASⅢ是以乙酰CoA和丙二酰CoA為底物進(jìn)行反應(yīng)的酶[38]。乙酰CoA經(jīng)一系列的反應(yīng)生成C8至C18不同鏈長的脂肪酸[38]。C16（16-carbon）和C18（18-carbon）是參與植物免疫調(diào)節(jié)的主要物[39]。植物花中的脂肪酸主要由C18合成，包括亞麻酸（18 ∶ 3△9，12，15）和亞油酸（18 ∶ 2△9，12）等[40]。

脂肪酸衍生物的生物合成由脂肪氧化酶（lipoxygenase，LOX）途徑催化的特異性氧化開始，產(chǎn)生9-和13-氫過氧化物中間體[41]。然后LOX途徑代謝2個分支產(chǎn)生揮發(fā)性化合物。丙二烯氧化物合酶（allege oxide synthase，AOS）支鏈在13-氫過氧化物的催化下通過環(huán)氧化物氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生茉莉酸（jasmonic acid，JA）。此外，AOS途徑通過氫過氧化物裂解酶縮合氫過氧化物衍生物產(chǎn)生C6和C9醛以及相應(yīng)酯類物質(zhì)，這些揮發(fā)性物質(zhì)對綠葉植物的防御性反應(yīng)起到非常重要的作用[42-43]。

2 調(diào)控植物花香的基因與作用機(jī)制

植物花香揮發(fā)物的形成都是由于相關(guān)酶的存在對其進(jìn)行催化，不同種類化合物的作用也存在一些差異。Schiestl 等研究發(fā)現(xiàn)，萜烯類和苯丙烷類化合物是散發(fā)吸引授粉者信號的主要物質(zhì)[44]。它們主要在植物與授粉者之間充當(dāng)最主要的媒介。而脂肪族類的化合物則主要在植物與食草動物之間發(fā)揮防御的作用。研究人員還發(fā)現(xiàn)，植物通常在授粉者活動較為頻繁的時間內(nèi)散發(fā)出花香[45]。同許多有機(jī)體一樣，植物體內(nèi)也存在相應(yīng)的生物鐘。生物鐘的存在使植物可以調(diào)節(jié)它們的生長發(fā)育節(jié)律，影響植物代謝產(chǎn)物。許多研究表明，生物鐘對植物揮發(fā)物的調(diào)節(jié)起到了重要的作用。相對于萜烯類化合物和苯丙烷類化合物的晝夜節(jié)律代謝途徑，脂肪族類化合物只有一個上游基因脂氧合酶（LOX）參與了晝夜節(jié)律的調(diào)控[46]。酶在植物揮發(fā)性物質(zhì)的合成途徑中起到了非常重要的作用。隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，研究者們在幾種模式植物的研究基礎(chǔ)之上，從更多的花卉中分離純化出相關(guān)基因，并對其表達(dá)進(jìn)行了研究。

2.1 萜烯類途徑中的調(diào)控基因

2.1.1 芳樟醇合酶（linalool synthase，LIS） LIS是第1個萜類花香合成酶，也是第1個負(fù)責(zé)分離和表征花香氣味的酶，該酶可將牻牛兒焦磷酸（GPP）進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為S-芳樟醇（S-linalool）[3]。LIS的合成在植物中非常普遍并且已經(jīng)被證明是防御反應(yīng)的一部分。幾乎所有植物基因組都含有LIS基因。1994年，繼Pichersky從仙女扇中分離純化出芳樟醇合成酶LIS 后，Dudareva在1996年克隆出LIS基因[47-48]。Pichersky等研究發(fā)現(xiàn)，LIS在開花的第1和第2天酶活性最高，而且主要存在于柱頭（含量最高）、花瓣和雄蕊中，其余組織器官沒有發(fā)現(xiàn)任何LIS活性，僅在花中表達(dá)[5]。授粉之后48h內(nèi)柱頭酶活性下降了90%。但是沒有經(jīng)過授粉的花器官LIS活性下降趨勢緩慢[47]。小蒼蘭花瓣中LIS基因表達(dá)量最高，其次是雌蕊和雄蕊，葉片含量最低。Pellegrinechi等將LIS基因通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化到檸檬天竺葵中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化植株中芳香物質(zhì)的含量大幅提升[49]。Mendoza-Poudereux等將仙女扇中克隆得到的LIS基因轉(zhuǎn)化到寬葉薰衣草中，發(fā)現(xiàn)由LIS催化合成的芳樟醇含量大幅增加，幼葉中表達(dá)最為明顯;與野生型相比，轉(zhuǎn)基因植株中芳樟醇含量的表達(dá)多達(dá)1000%，進(jìn)一步確定了芳樟醇合酶為香氣合成關(guān)鍵基因[50]。

2.1.2 脫氧木酮糖-5-磷酸合酶（1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate-synthase，DXS） DXS是萜類化合物合成MEP途徑的限速酶。研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥中，通過上調(diào)或下調(diào)DXS基因的表達(dá)，與萜類有關(guān)的物質(zhì)含量都會受到一定的影響[51]。玫瑰中RrDXS和RrLIS隨著玫瑰開花的過程表達(dá)量不斷上升，盛花期最高，衰老期含量相對減少。RrAAT在半開時期表達(dá)量達(dá)到頂峰，而盛開期表達(dá)迅速減弱為半開期的47.4%，衰老期表達(dá)信號極弱[52]。RrDXS在花托中表達(dá)量最高，RrAAT和RrLIS在雄蕊中表達(dá)量最高。RrDXS的整體表達(dá)水平明顯高于RrLIS[53]。Bao等通過試驗發(fā)現(xiàn)，梅花基因PmBEAT36在花瓣和雄蕊中表達(dá)量最高，并且表達(dá)量隨著開花時間呈上升趨勢[54]。

2.1.3 萜烯合成酶（terpene synthase，TPS） 根據(jù)基因的表達(dá)，與MEP途徑中的基因相比，TPS基因的轉(zhuǎn)錄水平可能在單萜的產(chǎn)生中起到關(guān)鍵作用[55]。多個TPS基因與花器官相互作用以及階段特異性TPS基因的表達(dá)可能是導(dǎo)致桂花獨(dú)特香氣產(chǎn)生的主要原因[56]。桂花花香的主要揮發(fā)物成分芳樟醇及其衍生物由轉(zhuǎn)錄因子OfTPS1、OfTPS2、OfTPS3編碼[57]。研究者們分析了擬南芥中TPS家族酶的合成，發(fā)現(xiàn)在擬南芥中萜類化合物合成的場所主要集中在柱頭和萼片（AtTPS21）、蜜腺和胚珠（AtTPS11）以及花粉（AtTPS03）中，而花瓣中沒有發(fā)現(xiàn)任何萜類化合物[58]。瓊瑤漿（VvValGw）和赤霞珠（VvValCS）（2種制造葡萄酒的主要原材料）中的VvTPS基因在花藥中表達(dá)并且對花香的晝夜節(jié)律有很大的影響[59]。

2.1.4 5-磷酸脫氧木酮糖合成酶（deoxyoxylulose-5-phosphate synthase，DXPS） DXPS是植物萜類化合物合成代謝途徑MEP途徑的第1個限速酶，催化MEP途徑的第1步反應(yīng)。陳麗莉等用四季桂的花瓣和葉片為材料，通過半定量PCR發(fā)現(xiàn)，四季桂DXPS基因表達(dá)量在花朵盛開期最高，花蕾期次之，衰弱期最低;在花瓣中的表達(dá)量要明顯高于同期在葉片中的表達(dá)量[60]。研究者通過分析得到了與花香合成有關(guān)的關(guān)鍵基因DXS、HDR、TPS和GPPS。OfDXS1的轉(zhuǎn)錄水平在盛花期有所下降，而OfDXS2的轉(zhuǎn)錄水平卻急劇上升，推測該轉(zhuǎn)錄因子可能與單萜的釋放量有關(guān)[61]。茉莉花瓣中DXS的基因表達(dá)出晝夜節(jié)律[62]。張浩宇等研究發(fā)現(xiàn)，LeDXS基因在濃香型百合中的表達(dá)量明顯高于淡香型和無香型百合[63]。Chen等從桂花中分離鑒定了10個MEP途徑的基因，發(fā)現(xiàn)桂花中OfDHR1和OfDXS2表達(dá)的晝夜節(jié)律一致[61]。

2.1.5 法尼基焦磷酸合酶（farnesyl pyrophosphate synthase，F(xiàn)PPS） FPPS也是萜類化合物的關(guān)鍵酶之一。蔣素華等通過實時熒光定量PCR（qRT-PCR）發(fā)現(xiàn)，萼脊蘭FPPS基因在花瓣中大量表達(dá)且該基因只在盛花期表達(dá)，而花蕾期幾乎不表達(dá)[64]。

2.2 苯丙烷類途徑中的調(diào)控基因

MYB家族是植物轉(zhuǎn)錄因子中最大的家族之一，最先是在花香合成中被發(fā)現(xiàn)的[65]。研究發(fā)現(xiàn)，MYB家族可分為1R-、R2R3-、3R-和4R-共四大類。R2R3-MYB是植物中特有的，也是植物中發(fā)現(xiàn)的含量最豐富的一類蛋白質(zhì)。它們參與調(diào)節(jié)花朵的次生代謝并參與合成不同的香氣類型。矮牽牛是研究植物花香的模式植物之一，苯丙類化合物是矮牽牛花香的主要來源。PhODO1是第1個在矮牽牛氣味形成階段被發(fā)現(xiàn)的促進(jìn)苯類生物合成的轉(zhuǎn)錄因子[66]，ODO1屬于R2R3-類型MYB轉(zhuǎn)錄因子，對矮牽牛氣味有較強(qiáng)的影響。ODO1與苯丙氨酸途徑的幾個基因共表達(dá)，并能激活莽草酸途徑基因EPSPS（5-enolpyruvylshikimate-3-phospate synthase）的啟動子，從而調(diào)節(jié)L-苯丙氨酸的前體供應(yīng)和揮發(fā)性的產(chǎn)生[67]。EOBⅠ和EOBⅡ被證明對矮牽牛苯丙烷類生物合成途徑有調(diào)節(jié)作用，二者共同調(diào)控ODO1和控制香氣基因的表達(dá)[68-69]，并且這3類MYB轉(zhuǎn)錄因子在矮牽牛中均表現(xiàn)出晝夜節(jié)律[70-71]。

在姜花中，與花香有關(guān)的R2R3-MYB家族轉(zhuǎn)錄因子HcMYB3-6在盛花期表達(dá)量最高[72];紫丁香揮發(fā)物中的2個R2R3-MYB家族轉(zhuǎn)錄因子在盛花期的表達(dá)明顯高于花蕾期[71]。馬尾松PmMYB可能與一些未知的轉(zhuǎn)錄因子控制著花香中揮發(fā)性苯丙類化合物的生物合成[69]。研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥中AtMYB3、AtMYBL2和AtMYB6在高溫條件下表達(dá)更高。擬南芥的PAP1負(fù)責(zé)編碼MYB轉(zhuǎn)錄因子，并在花青素以及苯丙素等化合物中中積累[73]。

在花香形成過程中發(fā)現(xiàn)了1 327個轉(zhuǎn)錄因子，其中OfMYB1、OfMYB6、OfWRKY1、OfWRKY3在花香形成過程中起到了重要作用，它們的表達(dá)水平與花香揮發(fā)物的釋放是一致的[74]。WRKY3和WRKY6被發(fā)現(xiàn)與煙草中用于防御害蟲的揮發(fā)性萜類化合物的產(chǎn)生有關(guān)[75]。玫瑰花中PAP1的過量表達(dá)受到苯丙酸類和萜類化合物揮發(fā)性物質(zhì)的調(diào)節(jié)，矮牽牛中PAP1的過量表達(dá)增加了苯類化合物的釋放[76]。

2.2.1 5-烯醇式丙酮酰-莽草酸-3-磷酸合成酶（5-enolpyruvy-shikimate-3-phosphate synthase，EPSPS） EPSPS是莽草酸途徑中的關(guān)鍵酶，它對花香的控制起到了重要的作用。EPSPS能夠與花香揮發(fā)物基因相互協(xié)作，共同完成這類揮發(fā)物的合成與釋放。Cheung等研究發(fā)現(xiàn)，矮牽牛的轉(zhuǎn)錄因子ODO1（2-oxoglutarate denhydrogenase，2-氧戊二酸脫氫酶）能夠激活EPSPS基因的表達(dá)[77-78]。Rogers等研究發(fā)現(xiàn)，EPSPS的蛋白質(zhì)質(zhì)量與草甘膦的抗性有關(guān)，酶的含量與抗性成正比[79];李雅超等以橡膠樹為試驗材料，通過激素、干旱、高鹽、低溫等非生物脅迫誘導(dǎo)HbEPSPS基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該基因在非生物脅迫下表達(dá)均上調(diào)，并且在脅迫處理后的12～48 h內(nèi)達(dá)到最高表達(dá)量，表現(xiàn)出快速響應(yīng)的特性[80]。

2.2.2 苯甲酸羧基甲基轉(zhuǎn)移酶（benzoic acid carboxyl methyltransferase，BAMT）和苯丙氨酸解氨酶（L-phenylalanine ammonia-lyase，PAL） Kolosova等分析了BAMT和PAL，發(fā)現(xiàn)BAMT通過將甲基轉(zhuǎn)移到苯甲酸催化合成苯甲酸甲酯，PAL通過從氨基酸苯丙氨酸產(chǎn)生的反式肉桂酸來控制苯甲酸的合成[81-82]。Doudareva等從金魚草花中分離得到BAMT基因;金魚草的BAMT和矮牽牛的BAMT1、BAMT2為同源物，同時表現(xiàn)出晝夜振蕩，在下午時表達(dá)量達(dá)到高峰;而PAL在二者之間的表達(dá)卻有所不同，金魚草在清晨時表達(dá)量最高，矮牽牛則是在傍晚表達(dá)量最高。結(jié)果表明，同一種基因在不同種植物中的表達(dá)可能會有所差異[82]。PAL基因的表達(dá)可能與植物花香揮發(fā)性物質(zhì)的釋放有關(guān)[46]。馬鈴薯花的PtPAL表達(dá)呈現(xiàn)晝夜節(jié)律，并且其表達(dá)水平隨著開花時間逐漸增高[83]。熊青等克隆出雙瓣茉莉花相關(guān)基因JsPAL2，發(fā)現(xiàn)該基因的表達(dá)量隨著開花天數(shù)的增加而升高，推測該基因參與調(diào)控了茉莉花中苯丙烷物質(zhì)的合成[84]。

2.2.3 水楊酸羧基位甲基轉(zhuǎn)移酶（salicylic acid carboxyl methyltransferase，SAMT） Ross等從仙女扇中分離得到SAMT基因，發(fā)現(xiàn)該基因在花香揮發(fā)物水楊酸甲酯的合成與釋放中起著重要的作用[85]。Negre等通過水楊酸和茉莉酸處理誘導(dǎo)金魚草花瓣中SAMT基因，經(jīng)過RT-PCR發(fā)現(xiàn)，該基因在花瓣中表達(dá)量約為雄蕊的200倍，葉片中沒有檢測SAMT的相關(guān)表達(dá)[86-87]。

2.2.4 苯甲酸/水楊酸羧基甲基轉(zhuǎn)移酶（benzoic acid/salicylic acid carboxyl methyltransferase，BSMT） ?研究發(fā)現(xiàn)，有一些SAMT具有同時催化苯甲酸和水楊酸的功能，這些酶就是BSMT。百合LiBSMT基因在開花過程中呈現(xiàn)先高后低的趨勢，花瓣中表達(dá)量最高，還呈現(xiàn)出晝夜節(jié)律，即下午的表達(dá)量高于上午和夜晚[88]。花香釋放量隨著盛開逐漸增多，到衰老期之后開始下降，這可能是由于乙烯參與了相關(guān)揮發(fā)物的調(diào)控。矮牽牛從花蕾期到盛開期的過程中，花香揮發(fā)物的成分以及含量隨著時間逐漸升高，此時由于BSMT的存在，使得轉(zhuǎn)錄水平升高，甲基苯甲酸能大量釋放吸引授粉者，授粉之后乙烯產(chǎn)生，抑制了甲基苯甲酸甲酯合成酶的基因表達(dá)，降低BSMT轉(zhuǎn)錄，從而使花香揮發(fā)物減少[89]。

2.2.5 （異）丁子香酚-O-甲基轉(zhuǎn)移酶[（ISO）eugenol O-methyltransferase，IEMT] IEMT以腺苷甲硫氨酸（S-adenosyl-1-methionine）為甲基供體催化丁子香酚和異丁子香酚形成甲基丁子香酚和甲基異丁子香酚。Wang從仙女扇中分離純化得到IEMT，發(fā)現(xiàn)該基因在花瓣中高度表達(dá)，并且表達(dá)量在開花前一天達(dá)到最高值[90]。

2.2.6 間苯三酚氧位甲基轉(zhuǎn)移酶（phloroglucinol O-methyltransferase，POMT）和苔黑酚氧位甲基轉(zhuǎn)移酶（orcinol O-mtehyltransferase，OOMT）POMT和OOMT都屬于氧位甲基轉(zhuǎn)移酶。RcOMT1在月季雄蕊中表達(dá)量最高，花瓣次之[91];PmOMT在梅花花器官中的表達(dá)主要集中在雄蕊及花瓣中[92]。研究發(fā)現(xiàn)，OOMT基因在有些花香成分中的表達(dá)高達(dá)60%。POMT基因是從月季花瓣中克隆得到的，Wu等研究發(fā)現(xiàn)，該基因在花瓣中表達(dá)量最高，花萼和雄蕊表達(dá)量很少[93]。

2.2.7 丁子香酚合酶（eugenol synthase，EGS） EGS是催化生成丁子香酚等的關(guān)鍵酶，目前已經(jīng)從多種植物中克隆出丁子香酚基因。月季RhEGS1在盛花期表達(dá)量最高，并且主要存在于雄蕊中[94];仙女扇CbEGS1、CbEGS2在花瓣中的表達(dá)量最高而葉片里幾乎沒有表達(dá)[95]。以四季桂3月、6月、9月、12月不同花期的花瓣和葉片為材料，對GES和ADH基因進(jìn)行半定量RT-PCR，差異表達(dá)結(jié)果表明，GES和ADH基因在花瓣中的表達(dá)量明顯高于在葉片中的表達(dá)量，且盛花期的表達(dá)量最高。初步推測GES和ADH基因的表達(dá)對四季桂花瓣香氣物質(zhì)的產(chǎn)生有重要影響[96]。

2.3 脂肪酸及其衍生物途徑的調(diào)控基因

脂肪酸及其衍生物在植物揮發(fā)性物質(zhì)中所占的比例遠(yuǎn)不及萜烯類和苯丙烷類。脂肪酸及其衍生物主要參與植物的器官等生長發(fā)育以及植物的衰老、凋亡，還通過不同途徑形成功能各異的化合物，幫助植物提高自身防御及免疫力，增強(qiáng)植物抗性[96]。

2.3.1 脂肪氧化酶（lipoxygenase，LOX） LOX是茉莉酸（jasmonic acid，JA）合成途徑的關(guān)鍵酶。研究發(fā)現(xiàn)，LOX可以吸引昆蟲捕食者增加自身防御性;參與植物揮發(fā)性化合物己醛和己烯醛的合成[33]。Hu等通過抑制番茄中LOX的表達(dá)發(fā)現(xiàn)，果實中乙烯等揮發(fā)物含量明顯降低[97];Erin等通過抑制擬南芥中LOX2基因表達(dá)后發(fā)現(xiàn)，葉片中茉莉酸含量顯著降低，并且明顯低于野生型[98]。

2.3.2 丙二烯氧化物合酶（allene oxide synthase，AOS） AOS也是植物體內(nèi)JA合成途徑的關(guān)鍵酶。董先娟等通過克隆得到了白木香AsAOS1基因序列，發(fā)現(xiàn)AOS作為關(guān)鍵酶參與JA誘導(dǎo)特征性成分倍半萜類生物的合成[99]。

3 展望

隨著花香代謝工程研究的逐漸深入，未來可以從更多的植物中鑒定出香氣相關(guān)物質(zhì)，闡明香氣合成途徑，克隆更多相關(guān)酶基因。但是，由于花香代謝途徑的復(fù)雜性和植物種屬的特異性，花香代謝途徑的相關(guān)基因工程還存在很多問題。如萜類代謝途徑除了產(chǎn)生大量與花香有關(guān)的物質(zhì)之外，還會產(chǎn)生一些如脫落酸、乙烯等與植物生理活性有關(guān)的物質(zhì)，有時還會發(fā)生一些代謝紊亂。另外，對于苯丙烷類以及脂肪酸類化合物的研究還有許多空缺。找到苯丙烷類及脂肪族類的生物合成相關(guān)基因以及這些基因是如何受到轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的仍需要進(jìn)一步的研究。

目前，國內(nèi)外對花香基因的克隆表達(dá)與分析的研究大多集中在香氣較為濃郁的植物中。大多數(shù)形體較小、顏色單一的花卉往往具有濃郁的香氣，如紫丁香、水仙、桂花等，而像荷花、菊花和一些熱帶蘭雖然花體型較大，但是香氣比較淡雅。隨著物質(zhì)生活的不斷發(fā)展，人們對花卉的需求也不斷上升，因此對花香代謝途徑的研究至關(guān)重要。通過對代謝途徑了解的不斷深入，利用現(xiàn)代生物技術(shù)不斷改善植物現(xiàn)有性狀，可使香氣淡雅的花卉變得香氣濃郁，培育出集花型、花色、花香為一體的觀賞花卉。未來，隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，對花香代謝途徑研究不斷深入，可以更好地利用花香基因工程改造植物性狀，從而增加植物的觀賞性，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

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