植物花香物質代謝的研究進展

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　　摘要：花香是植物的重要性狀，是很多植物生長過程中不可缺少的組成成分。香氣不僅關系到植物的授粉特性，而且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制。本文對植物花香的檢測，控制花香物質合成的種類及成分和目前植物花香基因工程研究進展做了簡要綜述，并對今后的植物花香基因工程研究進行了展望。
　　關鍵詞：花香;物質代謝;基因工程
　　花香是植物的重要性狀之一，來源于植物體內具有揮發性的化合物，通常是一些親脂性液體[1]。這些物質不僅參與植物體內各種次生代謝的重要物質，還是植物抵御外來生物侵略的一種方式，也可以吸引昆蟲授粉，提高種族的生殖繁衍和適應性。相對于花型、花色等植物性狀，花香的研究相對滯后[2]。直到近幾年，隨著國內外對花香的生物合成途徑及其物質成分研究的逐漸深入，花香基因工程的研究才成為當前植物研究的一個新熱點。本文綜合了近年來國內外對花香揮發物主要成分及成分的檢測、鑒定、影響因素等方面進行了簡要的概述，并對今后的花香研究進行展望。
　　1 花香揮發物的檢測
　　由于香氣關系到植物的授粉特性，其合成途徑也比較復雜。因此檢測花香揮發物成分對植物基因工程和提高植物觀賞性的研究具有重要意義。現已出現很多種方法用于檢測植物花香混合物，主要檢測方法是通過萃取法、蒸餾法、頂空固相微萃取一氣相色譜一質譜聯檢（HS-SPME-GS-MS）技術和電子鼻技術[3]。但是萃取法易萃取到一些不需要的雜質，還可能導致揮發物的流失;蒸餾法的高溫會破壞植物結構，不適用于花香物質的采集。目前最常用的是GS-MS技術、電子鼻技術。紅外光譜（IR）和核磁共振（NMR）[4]也常用于檢測花香揮發物。目前為止，已經從991種植物中鑒定出超過約2000種揮發性芳香物質[5]。
　　2 花香揮發物的種類及主要成分
　　植物花香化合物是由許多低分子量揮發性分子組成的化合物，是花朵釋放的次生代謝產物?；ㄏ銚]發物主要由烷烴類、烯類、醇類、酮類、醛類、醚類、酯類及芳香族化合物等組成[6，7]，按照生物合成途徑又可將這些化合物分為萜烯類、苯丙酸類l苯環型化合物和脂肪族化合物等3大類。
　　2.1 萜烯類化合物
　　萜烯類化合物大多存在高等植物及某些真核生物中，是植物次生代謝產物，在自然界中廣泛分布。它是由2種碳單元異戊烯二磷酸（IPP）和二甲基烯丙基二磷酸酯（DMAPP）縮合物[8，9]衍生而成的。最常見的是單萜烯和倍半萜烯，如芳樟醇、石竹烯、β-羅勒烯、橙花叔醇、月桂烯、雪松烯等[10]。芳樟醇合成酶基因是第一個被克隆報導的花香基因，Pichersky等首先從仙女扇中分離純化得到芳樟醇合成酶，而后Dudareva等[9]從中克隆得到其全長cDNA。施婷婷等[11]對桂花品花香揮發物進行了主成分分析，發現β-紫羅蘭酮是金桂初花期和盛花期產生的主要化合物。劉倩等發現（E）-β-羅勒烯、月桂烯、檸檬烯和芳樟醇等萜烯類物質[12]為玉簪屬植物花香的主要成分，其特征香氣物質是芳樟醇[13]。胡荻等[14]發現小報春的主要香氣成分為α-松油醇、芳樟醇和水楊酸甲酯。
　　2.2 苯丙酸類/苯環型化合物
　　合成植物花中苯丙酸類/苯環型化合物的研究始于 20世紀90年代末。這類化合物的生物合成不僅受花朵發育的時空調節，還受生物鐘及前體物質生物合成的調節[15]。苯類/苯丙酸類化合物主要通過莽草酸為前體合成，在一些酶的催化作用下形成反式肉桂酸，然后經過甲基轉移酶和酞基轉移酶的催化而甲基化和酞化，最終形成一系列花香揮發物。研究發現，月季中苯乙醇的含量超過其總花香揮發物總組分的50%[16-18]。Verdonk等[19]首次以矮牽?！甅itchell’為材料，發現其含量在盛花期最多，之后隨著時間的推移逐漸下降。研究還得出苯丙酸類物質為矮牽牛花香的主要成分，其中苯甲酸芐酯和苯甲酸苯乙酯在矮牽牛的花香成分中占有相對較多的含量[19-21]，另也有少量的半萜類。仙女扇SAMT基因和金魚草BAMT基因與Pott等從野生煙草中[22]克隆出的苯甲酸/水楊酸羧基位甲基轉移（BSMT）基因的氨基酸序列都有一定的同源性。
　　2.3 脂肪族化合物
　　脂肪族化合物也是花香揮發物的重要組成成分。研究發現對香石竹的花香貢獻較大的成分之一是（2E）-己烯醛[23]。金桂中含有乙酸-4-己烯酯和γ-癸內酯等，盛開的玫瑰花中含有較多的乙酸正己酯脂肪族化合物[24，25]。
　　3 花香基因工程研究進展
　　通常認為，花香的主要揮發部位是花瓣或雄蕊，花香揮發物的差異性不僅體現在品種上。由于受到各自基因型的調控，不同植物散發出的揮發物種類的含量或比例不同，都會導致其最終形成的香味不同[5，10]。同種植物的不同器官的化合物和含量也會有差異。
　　3.1 花香的相關基因
　　花香揮發物大多是由與其相關的酶催化而成，從而形成各種不同的香氣。目前對花香產物合成途徑以及編碼這些合成酶的研究已經逐漸明晰。
　　高等植物莽草酸合成途徑中的關鍵酶之一5-烯醇丙酮酞莽草酸-3-磷酸合成酶（EPSPS）具有組織特異性表達，還和花的發育密切相關。通過與諸多花香合成相關基因互作的同時來調控花香物質的生物合成和釋放。研究發現矮牽?；ㄏ戕D錄因子OD01能夠能激活EPSPS基因的表達[19]。
　　Dudareva等[26]從金魚草的花瓣cDNA文庫中分離克隆了P-羅勒烯合成酶基因的全長cDNA，其編碼的氨基酸序列與同屬萜烯合成酶家族的月桂烯合成酶基因具有92%的同源性Nagegowda等in采用功能基因組學方法，橙花叔醇和芳樟醇合成酶基因（AmNES/LIS-1 &AmNES/LIS-2）是金魚草2個具有95%同源性的基因，研究發現[26]，AmNES/LIS-1在細胞質中表達產生橙花叔醇，AmNES/LIS-2在質體中表達產生芳樟醇。 　　3.2 花香產物調控
　　大多數植物花香揮發物主要在花瓣及其他器官的表皮細胞中合成。從梅花中克隆出的PmOM丁基因主要在雄蕊、花瓣等花器官[28]中，營養器官組織如根、莖表達較少;相關研究表明，仙女扇的LIS基因和I EMT基因在其表皮細胞中特異表達[29]，IEMT中mRNA的表達與其轉移酶活性呈正相關，BAM丁基因在金魚草花的花筒表皮細胞中表達量很少，而在上下裂片表皮層的錐形細胞中進行特異表達[30];Granero等[31]對3個南瓜品種花朵的不同部位的揮發物進行主成分分析后，指出南瓜花的花香揮發物釋放主要場所是蜜腺。
　　植物花香的散發也受到時間的調控，隨時間的改變，其花香揮發物的活性也會有相應的變化。從多花水仙品種中克隆出的HDS基因在初花期與盛花期的表達存在明顯差異，盛花期表達量顯著高于初花期[32]，推測多花水仙香氣的合成可能與此有關;金桂的香氣釋放量在不同開花階段的變化情況也有一定差別，而有些揮發性的香氣成分只在某一個階段出現，如（E）-2-甲基-2-丁烯酸乙酯只能在香眼期檢測到，（E，Z）-2，6-二甲基-2，4，6-辛三烯僅出現在盛花期，對異丙基苯甲醛、5-（1-羥基-1-甲基乙基）-2-甲基-2-環己烯、環氧芳樟醇等香氣物質只在末花期檢測到[11]。
　　4 展望
　　最近幾年，隨著對植物研究的逐漸深入，在花香的成分及其代謝途徑等方面也取得了重要的進展，但仍然還有一些問題需要進一步的研究。目前，植物花香的相關基因為了使其表達產物快速揮發到空氣中，多存在于細胞表皮中，植物的其它部位是否也會產生花香有待進一步研究。隨著花香基因工程的發展，植物花香揮發物的調控是否可以利用該技術實現，使花香更加濃郁并且進一步提高植物的授粉率及其防御能力。此外，花香的某些特定性狀及其成分與花香和花色以及昆蟲授粉的關系都需要進行更加深入的研究。
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