植物花香物质代谢的研究进展

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　　摘要：花香是植物的重要性状，是很多植物生长过程中不可缺少的组成成分。香气不仅关系到植物的授粉特性，而且可以提高植物的观赏性。同时，花香也是植物抵御各种生物、非生物胁迫的重要机制。本文对植物花香的检测，控制花香物质合成的种类及成分和目前植物花香基因工程研究进展做了简要综述，并对今后的植物花香基因工程研究进行了展望。
　　关键词：花香;物质代谢;基因工程
　　花香是植物的重要性状之一，来源于植物体内具有挥发性的化合物，通常是一些亲脂性液体[1]。这些物质不仅参与植物体内各种次生代谢的重要物质，还是植物抵御外来生物侵略的一种方式，也可以吸引昆虫授粉，提高种族的生殖繁衍和适应性。相对于花型、花色等植物性状，花香的研究相对滞后[2]。直到近几年，随着国内外对花香的生物合成途径及其物质成分研究的逐渐深入，花香基因工程的研究才成为当前植物研究的一个新热点。本文综合了近年来国内外对花香挥发物主要成分及成分的检测、鉴定、影响因素等方面进行了简要的概述，并对今后的花香研究进行展望。
　　1 花香挥发物的检测
　　由于香气关系到植物的授粉特性，其合成途径也比较复杂。因此检测花香挥发物成分对植物基因工程和提高植物观赏性的研究具有重要意义。现已出现很多种方法用于检测植物花香混合物，主要检测方法是通过萃取法、蒸馏法、顶空固相微萃取一气相色谱一质谱联检（HS-SPME-GS-MS）技术和电子鼻技术[3]。但是萃取法易萃取到一些不需要的杂质，还可能导致挥发物的流失;蒸馏法的高温会破坏植物结构，不适用于花香物质的采集。目前最常用的是GS-MS技术、电子鼻技术。红外光谱（IR）和核磁共振（NMR）[4]也常用于检测花香挥发物。目前为止，已经从991种植物中鉴定出超过约2000种挥发性芳香物质[5]。
　　2 花香挥发物的种类及主要成分
　　植物花香化合物是由许多低分子量挥发性分子组成的化合物，是花朵释放的次生代谢产物。花香挥发物主要由烷烃类、烯类、醇类、酮类、醛类、醚类、酯类及芳香族化合物等组成[6，7]，按照生物合成途径又可将这些化合物分为萜烯类、苯丙酸类l苯环型化合物和脂肪族化合物等3大类。
　　2.1 萜烯类化合物
　　萜烯类化合物大多存在高等植物及某些真核生物中，是植物次生代谢产物，在自然界中广泛分布。它是由2种碳单元异戊烯二磷酸（IPP）和二甲基烯丙基二磷酸酯（DMAPP）缩合物[8，9]衍生而成的。最常见的是单萜烯和倍半萜烯，如芳樟醇、石竹烯、β-罗勒烯、橙花叔醇、月桂烯、雪松烯等[10]。芳樟醇合成酶基因是第一个被克隆报导的花香基因，Pichersky等首先从仙女扇中分离纯化得到芳樟醇合成酶，而后Dudareva等[9]从中克隆得到其全长cDNA。施婷婷等[11]对桂花品花香挥发物进行了主成分分析，发现β-紫罗兰酮是金桂初花期和盛花期产生的主要化合物。刘倩等发现（E）-β-罗勒烯、月桂烯、柠檬烯和芳樟醇等萜烯类物质[12]为玉簪属植物花香的主要成分，其特征香气物质是芳樟醇[13]。胡荻等[14]发现小报春的主要香气成分为α-松油醇、芳樟醇和水杨酸甲酯。
　　2.2 苯丙酸类/苯环型化合物
　　合成植物花中苯丙酸类/苯环型化合物的研究始于 20世纪90年代末。这类化合物的生物合成不仅受花朵发育的时空调节，还受生物钟及前体物质生物合成的调节[15]。苯类/苯丙酸类化合物主要通过莽草酸为前体合成，在一些酶的催化作用下形成反式肉桂酸，然后经过甲基转移酶和酞基转移酶的催化而甲基化和酞化，最终形成一系列花香挥发物。研究发现，月季中苯乙醇的含量超过其总花香挥发物总组分的50%[16-18]。Verdonk等[19]首次以矮牵牛‘Mitchell’为材料，发现其含量在盛花期最多，之后随着时间的推移逐渐下降。研究还得出苯丙酸类物质为矮牵牛花香的主要成分，其中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多的含量[19-21]，另也有少量的半萜类。仙女扇SAMT基因和金鱼草BAMT基因与Pott等从野生烟草中[22]克隆出的苯甲酸/水杨酸羧基位甲基转移（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挥发物的重要组成成分。研究发现对香石竹的花香贡献较大的成分之一是（2E）-己烯醛[23]。金桂中含有乙酸-4-己烯酯和γ-癸内酯等，盛开的玫瑰花中含有较多的乙酸正己酯脂肪族化合物[24，25]。
　　3 花香基因工程研究进展
　　通常认为，花香的主要挥发部位是花瓣或雄蕊，花香挥发物的差异性不仅体现在品种上。由于受到各自基因型的调控，不同植物散发出的挥发物种类的含量或比例不同，都会导致其最终形成的香味不同[5，10]。同种植物的不同器官的化合物和含量也会有差异。
　　3.1 花香的相关基因
　　花香挥发物大多是由与其相关的酶催化而成，从而形成各种不同的香气。目前对花香产物合成途径以及编码这些合成酶的研究已经逐渐明晰。
　　高等植物莽草酸合成途径中的关键酶之一5-烯醇丙酮酞莽草酸-3-磷酸合成酶（EPSPS）具有组织特异性表达，还和花的发育密切相关。通过与诸多花香合成相关基因互作的同时来调控花香物质的生物合成和释放。研究發现矮牵牛花香转录因子OD01能够能激活EPSPS基因的表达[19]。
　　Dudareva等[26]从金鱼草的花瓣cDNA文库中分离克隆了P-罗勒烯合成酶基因的全长cDNA，其编码的氨基酸序列与同属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采用功能基因组学方法，橙花叔醇和芳樟醇合成酶基因（AmNES/LIS-1 &AmNES/LIS-2）是金鱼草2个具有95%同源性的基因，研究发现[26]，AmNES/LIS-1在细胞质中表达产生橙花叔醇，AmNES/LIS-2在质体中表达产生芳樟醇。 　　3.2 花香产物调控
　　大多数植物花香挥发物主要在花瓣及其他器官的表皮细胞中合成。从梅花中克隆出的PmOM丁基因主要在雄蕊、花瓣等花器官[28]中，营养器官组织如根、茎表达较少;相关研究表明，仙女扇的LIS基因和I EMT基因在其表皮细胞中特异表达[29]，IEMT中mRNA的表达与其转移酶活性呈正相关，BAM丁基因在金鱼草花的花筒表皮细胞中表达量很少，而在上下裂片表皮层的锥形细胞中进行特异表达[30];Granero等[31]对3个南瓜品种花朵的不同部位的挥发物进行主成分分析后，指出南瓜花的花香挥发物释放主要场所是蜜腺。
　　植物花香的散发也受到时间的调控，随时间的改变，其花香挥发物的活性也会有相应的变化。从多花水仙品种中克隆出的HDS基因在初花期与盛花期的表达存在明显差异，盛花期表达量显著高于初花期[32]，推测多花水仙香气的合成可能与此有关;金桂的香气释放量在不同开花阶段的变化情况也有一定差别，而有些挥发性的香气成分只在某一个阶段出现，如（E）-2-甲基-2-丁烯酸乙酯只能在香眼期检测到，（E，Z）-2，6-二甲基-2，4，6-辛三烯仅出现在盛花期，对异丙基苯甲醛、5-（1-羟基-1-甲基乙基）-2-甲基-2-环己烯、环氧芳樟醇等香气物质只在末花期检测到[11]。
　　4 展望
　　最近几年，随着对植物研究的逐渐深入，在花香的成分及其代谢途径等方面也取得了重要的进展，但仍然还有一些问题需要进一步的研究。目前，植物花香的相关基因为了使其表达产物快速挥发到空气中，多存在于细胞表皮中，植物的其它部位是否也会产生花香有待进一步研究。随着花香基因工程的发展，植物花香挥发物的调控是否可以利用该技术实现，使花香更加浓郁并且进一步提高植物的授粉率及其防御能力。此外，花香的某些特定性状及其成分与花香和花色以及昆虫授粉的关系都需要进行更加深入的研究。
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