高级植物生理-课件

1、生物碱及其代谢工程耿晨112015317001190植物学生物碱（Alkaloids） 生物碱是生物体内的碱性含氮有机化合物。大多数存在于植物体中，是次级代谢产物之一。一些作为植保素或植物内生的抗虫化合物，有些则长期作为刺激性物质，麻醉镇静剂或毒药使用。基于核心的含氮骨架，生物碱被划分为不同的几类，包括：吲哚、喹啉、莨菪烷、喹嗪烷生物碱。其中吲哚生物碱和莨菪烷生物碱的代谢途径研究得较为清楚。一、萜类吲哚生物碱及其代谢工程 萜类吲哚生物碱(terpenoid indole al-kaloids,TIAs），被发现于夹竹桃科(Apo-cynaceae)、马钱科(Loganiaceae)、茜草科(R

2、ubiaceae)等植物中。大多数关于萜类吲哚生物碱合成途径的分子生物研究都是以长春花（Catharanthus roseus)作为模式植物的。一、萜类吲哚生物碱及其代谢工程含量极其微少植株生长受环境影响、周期长、来源困难代谢工程研究化学合成和半合成成本太高市场需求量大TIAs生物合成 上游途径TIAs生物合成 下游 途径（1）色氨酸脱羧酶（Tryptophan decarboxylase，TDC）1、TIAs生物合成上游途径的关键酶 色氨酸脱羟酶催化色氨酸脱羧生成色氨，色氨是TIAs的重要前体之一，TDC催化的这一步反应是TIAs生物合成上游途径中的一步关键步骤。应用：编码TDC的基因已经从

3、长春花、喜树、短小蛇根草等植物中克隆。在长春花中超量表达tdc基因，导致色氨的大量积累，但下游的TIAs积累并不明显。在马铃薯块茎中超表达长春花tdc，引起了代谢消（Metabolic Sink）现象。（3）异胡豆苷合成酶（Strictosidine synthase，STR） 异胡豆苷合成酶是萜类吲哚生物碱生物合成途径中的最重要的关键酶，它将色胺和裂环马钱子耦合成为萜类吲哚生物碱的前体化合物异胡豆苷，该步反应是TIAs生物合成中的瓶颈之一。这步反应是TIAs生物合成途径的中心反应，也是该途径中的分支点，生成的异胡豆苷是生成各类TIAs的通用前体。应用：将长春花str、tdc基因编码区、在Ca

4、MV5S启动子作用，用农杆菌转化（单转和共转化）长春花细胞；共转化tdc和str的长春花色胺、异胡豆苷和多种TIAs的产量都有所提高。单转STR基因的长春花细胞获得了TIAs的积累。在金鸡纳毛状根中超量表达长春花tdc和str基因大大提高了TIAs和奎宁类生物碱的含量二、莨菪烷生物碱及其代谢工程 茄科植物可以合成一大类具有生物活性的生物碱，包括尼古丁和莨菪烷生物碱。莨菪碱（hyoscyamine）和东莨菪碱（scopalamine)是结构相关的两类莨菪烷生物碱，包括莨菪属、澳洲毒茄属、茄属等许多植物属都能够同时产生这两种化合物。（1）1,4-丁二胺-氮-甲基转移酶（putrescine N-m

5、ethyl-transferase，PMT） 腐胺在1,4-丁二胺-氮-甲基转移酶（putrescine N-methyl-transferase，PMT）的作用下，甲基化形成N-甲基-腐胺（N-methyl-putrescine，mP）。腐胺是多胺代谢的一个通用的前体。1、托品烷生物碱生物合成第一个限速酶-PMT应用：PMT 基因已经从烟草、莨菪、毛曼陀罗、颠茄和三分三等植物中克隆在颠茄和尼古丁中超表达pmt，提高了烟草中尼古丁的含量，对内源PMT的共抑制则降低了尼古丁的含量，同时产生形态异常。在澳茄中超表达pmt，转基因发根中mP含量比野生型提高24倍，但是生物碱含量没有显著差异。1、托品烷生物碱生物合成第一个限速酶-PMT（1）莨菪碱6-羟化酶（ hyoscyamine 6 hydroxylase) H6H 是一种双功能酶，具有羟基化和环氧化的作用，是托品烷类生物碱生物合成途径中一个重要的限速酶。它可将莨菪碱的 C-6 羟基化形成山莨菪碱，而后将山莨菪碱的 C-6、C-7 环氧化形成东莨菪碱。2、托品烷生物碱生物合成第二个限速酶H6H应用：在莨菪中H6H的表达程度与莨菪碱和东莨菪碱的比例有着直接的联系。将h6h转入莨菪碱为主要积累成分的植物可以提高东莨菪碱的含量。将烟草pmt和