花香遗传课件

第5章花香遗传花香是观赏植物“色、香、形”三要素之一，一直是园林植物的育种的重要目标。花香自然界主要是为了吸引授粉者授粉，吸引草食动物的天敌，或者染病后作为信号激起免疫反应。花香人类世界，香料香精、轻工业原料，保健品。4.1花香挥发物的生物合成花香挥发物主要3类物质，萜类化合物、苯丙酸类化合物/苯环型化合物、脂肪酸衍生物。萜类化合物是花香挥发物中最大的一类，包括单萜和倍半萜，它们起源于甲羟戊酸途径。苯丙酸类化合物/苯环型化合物起源于莽草酸途径，以苯丙氨酸为起始。脂肪酸衍生物起源于丙二酸途径。4.2与花香相关的基因芳樟醇合成酶基因1995年Pichersky从仙女扇的花中分离纯化出LIS，该酶以GPP为底物，控制S-芳樟醇的合成。芳樟醇是广泛存在于植物中的花香挥发物，属于单萜类，具有清甜的香味。1996年Dudareva获得完整的基因序列，此酶是第1个分离到的花香合成基因，由870个氨基酸组成，具有典型的金属辅助因子捆绑区域DDXXD.丁子香酚-O-甲基转移酶基因（IEMT）1997年，Wang等从仙女扇的花中分离纯化出IEMT，该酶以腺苷甲硫氨酸为甲基供体，以丁子香酚和异丁子香酚为前体，将甲基转移至丁子香酚和异丁子香酚第4位羟基上，形成甲基丁子香酚和甲基异丁子香酚，二者是许多植物中重要的花香成份。水杨酸羧基位甲基转移酶基因（SAMT）水杨酸甲酯是广泛存在于植物中苯环型酯类化合物。不但是重要的花香成分，而且在植物的防御机制中扮演着重要角色。Ross等从仙女扇的花中部分分离纯化出SAMT，该酶以腺苷甲硫氨酸为甲基供体，以水杨酸为前体，将甲基转移至水杨酸的羧基上，形成水杨酸甲酯。Pott等用同源序列法又从多花黑蔓藤克隆出SAMT基因。该基因氨基酸序列与仙女扇中的SAMT具有56%的同源性。苯甲醇苯甲酰基转移酶（BEBT）2002年D'Auria等采用表达序列标签（EST）文库搜索结合cDNA末端快速扩增（RACE）技术从仙女扇中获得了BEBT基因cDNA的全长。该基因编码区由456个氨基酸组成，与植物酰基转移酶基因序列具有很大的同源性，属于酰基转移酶中的BAHD家族。苯甲醇苯甲酰基转移酶以苯甲酰辅酶A为苯甲酰基供体，以苯甲醇为前体，将苯甲酰基转移至苯甲醇上，形成苯甲酸苄酯。β罗勒烯合成酶和月桂烯合成酶β罗勒烯和月桂烯都是广泛存在于植物花香中的单萜类物质。β罗勒烯合成酶和月桂烯合成酶都以GPP为底物，分别控制β罗勒烯和月桂烯的合成。β罗勒烯合成酶基因的氨基酸序列与月桂烯合成酶基因具有92%的同源性，共同属于萜烯合成酶家族的Tps-g亚家族苯甲酸/水杨酸羧基位甲基转移酶（BSMT）水杨酸甲酯和苯甲酸甲酯都是广泛存在于植物中的苯环型酯类化合物，两者在野生烟草的花香中大量存在。苯甲酸/水杨酸羧基位甲基转移酶以腺苷甲硫氨酸为甲基供体，以苯甲酸和水杨酸为前体，将甲基分别转移至苯甲酸和水杨酸的羧基上，形成苯甲酸甲酯和水杨酸甲酯。该酶在野生烟草中对于苯甲酸和水杨酸具有同样的催化能力，所以定义为BSMT。大牻牛儿烯D合成酶（germacreneDsynthase）大牻牛儿烯D也是广泛存在于植物中的花香挥发物，属于倍半萜烯类。Guterman等利用功能基因组学的方法从现代月季（Rosahybrida）中克隆出一个新的花香相关基因，即大牻牛儿烯D合成酶基因。大牻牛儿烯D合成酶以法尼基焦磷酸酯（FPP）为底物，控制大牻牛儿烯D的产生。醇类乙酰基转移酶（AAT）Shalit等从现代月季中克隆出醇类乙酰基转移酶基因。该基因序列编码区由458个氨基酸组成，与仙女扇中的BEAT基因序列有较高的同源性。在现代月季中，AAT以乙酰辅酶A为乙酰基供体，主要以香叶醇和香茅醇为底物，催化乙酸香叶酯和乙酸香茅酯的合成，所以又称为香叶醇/香茅醇乙酰基转移酶。同时1-辛醇、2-苯乙醇、苯甲醇和苯乙醇等也可以作为底物。苯甲醇/苯乙醇苯甲酰基转移酶（BPBT）苯甲酸苄酯和苯甲酸苯乙酯在矮牵牛的花香成分中占有相对较高的含量。该基因的氨基酸序列与烟草的BEBT基因和仙女扇的BEAT基因都具有较高的同源性。苯甲醇/苯乙醇苯甲酰基转移酶以苯甲酰辅酶A为苯甲酰基供体，以苯甲醇和苯基乙醇为前体，将苯甲酰基转移至苯甲醇和苯乙醇上，形成苯甲酸苄酯和苯甲酸苯乙酯。松柏醇酰基转移酶（CFAT）矮牵牛的花香成分中含有丰富的异丁子香酚，而异丁子香酚是以乙酸松柏酯为底物，由异丁子香酚合成酶催化形成的。Dexter等从矮牵牛中分离克隆出控制乙酸松柏酯合成的松柏醇酰基转移酶基因。松柏醇酰基转移酶以松柏醇为底物，以乙酰辅酶A为酰基供体，控制合成乙酸松柏酯，在异丁子香酚合成酶的催化下合成芳香物质异丁子香酚。通过原位杂交和免疫学方面的试验表明，LIS基因和IEMT基因在仙女扇花的表皮细胞中特异表达，BAMT基因则在金鱼草花的上裂片和下裂片表皮层的锥形细胞中特异表达，在花筒表皮细胞中表达量很少。这些结果说明，花香相关的酶在花器官的表皮细胞中催化合成相关的花香产物，便于这些花香产物以挥发的方式直接散播到空气中。时间调控花香物质的散发受到花发育过程的调控，一般都是在花开放后的一段时间内达到顶峰，然后逐渐下降。LIS和SAMT属于第1种模式，它们的活性在成熟的花芽和初开的花中逐渐增加，到花开败时开始逐渐下降。此时尽管各自的产物芳樟醇和水杨酸甲酯已经停止产生了，但它们依然有相当于最大活性时40%～50%的活性。第2种模式以IEMT和BEAT为代表，它们的活性在花的生长过程中逐渐增加，达到最高点后活性基本保持不变直到花凋谢，但它们各自的产物含量却随着花的凋谢逐渐下降。另外月季中的AAT和矮牵牛中的BPBT也属于这种模式。导入新的外源基因Lücker等将从仙女扇中克隆的LIS基因导入矮牵牛，在转基因植株的花瓣和叶片中有该酶的活动。然而在花中只产生少量的芳樟醇，而非挥发性的芳樟醇的配糖在转基因植株中大量积累。Lavy等又将LIS基因导入了康乃馨中，在转化植株的叶和花中发现有芳樟醇及其氧化物的产生。尽管有芳樟醇的产生，但是人类的嗅觉感觉不到芳香的改变。Aranovich等从仙女扇中克隆的BEAT基因导入洋桔梗，在加入外源底物苯甲醇的情况下转化植株的花和叶中都有乙酸苄酯的产生，但在没有外源底物的情况下却没有相应的产物出现。调控植物内源基因的表达通过阻断其它相关代谢途径，改变代谢物质组成，可以增加目的产物的合成，增强植物的香气。苯甲酸和花青素均来自苯丙酸类代谢途径，形成花青素的一个关键酶是黄酮3-羟化酶（F3H）。Zuker等将反义F3H序列转入康乃馨，大大减弱了转基因植株中F3H基因的表达和酶活性，封锁了花青素合成途径，从而使苯甲酸大大增加。转基因植株不仅花色发生了变化，GC-MS分析表明，香味成分甲基苯甲酸合成量也有所增加，并且这种芳香的改变能被嗅觉所感知。Underwood等利用RNA干涉技术沉默了矮牵牛中BSMT基因，导致转基因植株中