植物类胡萝卜素的代谢调控及储存转运研究进展.pdf

接收日期：2023-11-23 接受日期：2023-12-21 基金项目：国家自然科学基金项目(32072620)；上海市自然科学基金面上项目(22ZR1422400)；上海市绿化和市容管理局项目(G242405、G232404、G192415)*通信作者。E-mail:; 植物类胡萝卜素的代谢调控植物类胡萝卜素的代谢调控 及储存转运研究进展及储存转运研究进展 于银凤1,2，刘青青2，刘晓春3，张大生2*，崔丽洁1*(1.上海市植物种质资源工程技术研究中心/上海师范大学生命科学学院，上海 200234；2.上海辰山植物园/中国科学院分子植物科学卓越创新中心辰山科学研究中心，上海 201602；3.东台市新街镇综合服务中心，江苏 东台 224234)摘 要：类胡萝卜素是植物体内广泛存在的一类天然色素，一般由 8 个异戊二烯单元首尾相连而成的 C40萜类化合物及其衍生物组成。在植物中，类胡萝卜素除了赋予植物器官呈色以外，在体内还执行着多项重要的生物学功能。近年来，虽然类胡萝卜素生物合成途径较为清晰，但是类胡萝卜素的代谢调控以及在体内的储存和转运机制还不明确。本文简要概述了类胡萝卜素的生物合成、代谢调控、储存定位和萜类物质转运蛋白等方面的研究进展，总结了介导类胡萝卜素转运的分子及鉴定转运体的方法，以期为研究类胡萝卜素的合成和转运提供参考。关键词：类胡萝卜素；代谢调控；转运体 Doi:10.3969/j.issn.1009-7791.2024.01.012 中图分类号：Q946.92 文献标识码：A 文章编号：1009-7791(2024)01-0088-09 Research Advances in Metabolic Regulation,Storage and Transport of Carotenoids in Plants YU Yin-feng 1,2,LIU Qing-qing2,LIU Xiao-chun3,ZHANG Da-sheng2*,CUI Li-jie1*(1.Development Center of Plant Germplasm Resources/College of Life Science,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China;2.Shanghai Chenshan Botanical Garden/Chenshan Scientific Research Center of CAS Center for Excellence in Molecular Plant Sciences,Shanghai 201602,China;3.Comprehensive Service Center of Xinjie Town,Dongtai 224234,Jiangsu China)Abstract:Carotenoids are a group of natural pigments widely found in plants,which are generally composed of C40 terpenoids and their derivatives,which are connected from end to end of 8 isoprene units.In plants,carotenoids not only make plant organs appear color,but also perform important biological functions.In recent years,although the biosynthesis pathway of carotenoids is relatively clear,the mechanisms of metabolic regulation,including storage and transport of carotenoids in vivo are not yet understood.This paper briefly summarized the research progress of the biosynthesis,storage localization of carotenoids and terpenoid transporters,and focused on the potential substances that mediate carotenoid transport and the methods of identifying carotenoid transporters,in order to provide a better understanding of carotenoid synthesis and transportation.Key words:carotenoids;metabolic regulation;transporter 2024,53(1):8088.Subtropical Plant Science 第 1 期 于银凤等：植物类胡萝卜素的代谢调控及储存转运研究进展 811 类胡萝卜素的合成 类胡萝卜素是胡萝卜素类(Carotenes)和叶黄素类(Xanthophylls)两大类色素的总称，是自然界中广泛存在的一类重要脂溶性色素群体，是具有异戊二烯骨架的 C40或 C30萜类化合物，是人体生长发育所必需的维生素 A 原1。自从 19 世纪初分离出胡萝卜素，目前已发现 1100 余种天然类胡萝卜素2。类胡萝卜素的合成途径在番茄 Solanum lycopersicum、柑橘 Citrus reticulata 等园艺作物中研究得比较深入。类胡萝卜素生物合成的前体物质是异戊二烯焦磷酸(Isopentenyl Pyrophosphate,IPP)，IPP 通过质体中的2-C-甲 基-D-赤 藓 醇-4-磷 酸(Methylerythritol 4-phosphate,MEP)途径合成香叶基香叶基二磷酸(Geranylgeranyl diphosphate,C20,GGPP)。整个 MEP途径包含 7 个生物合成步骤，1-脱氧-木酮糖-5-磷酸合酶(1-Deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase,DXS)是 MEP 途径中第一个催化酶，也是一个关键限速酶。GGPP 经八氢番茄红素合成酶(Phytoene Synthase,PSY)催化，2 分子 GGPP 缩合成无色的八氢番茄红素(Phytoene,C40)，由此进入植物类胡萝卜素合成途径(PCS)。PSY 是决定植物组织中类胡萝卜素积累总量的核心酶，也是至今研究最为深入的类胡萝卜素代谢酶。八氢番茄红素随后经过 4 步脱氢：八氢番茄红素去饱和酶(Phytoene desaturase,PDS)；15-顺式-胡萝卜素异构酶(-Carotene isomerase,Z-ISO)；-胡萝卜素去饱和酶(-Carotene desaturase,ZDS)和类胡萝卜素异构酶(Carotene isomerase,CRTISO)合成红色的全反式番茄红素(Lycopene,C40)。番茄红素环化是类胡萝卜素代谢中的一个主要分支点，植物中存在两种番茄红素环化酶。在番茄红素-环化酶(Lycopene-cyclase,LCYE)和番茄红素-环化酶(Lycopene-cyclase,LCYB/CYCB)催化下进入-/-胡萝卜素分支，并环化成-胡萝卜素(-胡萝卜素)和-胡萝卜素(-胡萝卜素)。-/-胡萝卜素经-类胡萝卜素羟化酶(-Ring carotene hydroxylase,CHYB)和-类胡萝卜素羟化酶(-Ring carotene hydroxylase,CHYE)催化分别在 C3 和 C3羟化，合成叶黄素(Lutein，C40)和玉米黄质(Zeaxanthin,C40)。-胡萝卜素 分 支 中，玉 米 黄 质 在 玉 米 黄 质 环 氧 化 酶(Zeaxanthin epoxidase,ZEP)催化下 C5 和 C6 发生环氧化，经花药黄质(Antheraxanthin,C40)合成紫黄质(Violaxanthin,C40)；C5-C6环 被 新 黄 质 合 酶(Neoxanthin synthase,NXS)打 开 转 化 成 新 黄 质(Neoxanthin C40)，再经 9-顺式-环氧-类胡萝卜素双加氧酶(9-cis-Epoxycarotenoid dioxygenases,NCEDs)氧化成黄质醛(Xanthoxin,C40)，从质体转运至胞质作为前体合成 ABA23(图 1)。2 类胡萝卜素代谢调控 2.1 光信号调控 随着对类胡萝卜素的深入研究，影响类胡萝卜素合成和代谢的调控因子也逐渐被挖掘。首先，类胡萝卜素的积累受环境因子影响，光照和温度是影响其表达的主要环境因子。光是调节植物光合作用活性的主要信号，光照影响质体发育和类胡萝卜素合成，不同的光照条件对不同器官中类胡萝卜素合成不尽相同4。研究发现，使用彩色遮光网，可以增加番茄果实中番茄红素含量5。进一步研究发现，两类参与植物光信号转导的转录因子 bHLH-光敏色素相互作用因子 1(Phytochrome interacting factor 1,PIF1)和 bZIP 转录因子家族成员 HY5(Elongated Hypocotyl 5,HY5)调控类胡萝卜素代谢相关基因的表达。PIF1 和 PIF3、PIF4 和 PIF5 统称为 PIFq，PIF1在黑暗条件下经 DET1-DDB1-CUL4E3 泛素连接酶复合物介导积累并在光照中降解。而 HY5 属于 bZIP家族，在光照条件下处于稳定状态，在黑暗条件下被 COP1-DDB1-CUL4 E3 泛素连接酶复合物介导的泛素化降解6。PIFq 和 HY5 对广泛的光形态发生反应具有拮抗作用。PIF1(阻遏物)和 HY5(激活因子)被证明与PSY基因启动子中相同的G-box基序结合，形成一个动态抑制-激活转录模块，刺激 PSY 基因的表达与叶绿素生物合成，最终导致类胡萝卜素的产生。此外，光敏色素快速调节因子 1(Phytochrome rapidly regulated 1,PAR1)被发现通过与 PIF1 相互作用阻止其与靶启动子结合，直接诱导 PSY 基因的表达7。PIF1/HY5 动态转录系统可通过调节 MEP 途径来调控质体萜类8。Mannen 等9发现 PIF5 调控质 第 53 卷 82 图 1 植物类胡萝卜素的代谢途径和调控机制 Fig.1 Metabolic pathway and regulatory mechanism of carotenoids in plants A.前体合成；B.类胡萝卜素生物合成。红色实线表示直接激活转录；红色虚线表示间接激活转录；蓝色实线表示直接抑制转录；蓝色虚线表示间接抑制转录；红色三角形表示对代谢途径所有结构基因都存在间接调控作用。7,9,7,9-tetra-cis-lycopene：7,9,7,9-四顺式番茄红素；7,9,9-tri-cis-neurosporene：7,9,9-三顺式-链孢红素；9,9-di-cis-carotene：9,9-二顺式-胡萝卜素；9,15,9-tri-cis-carotene：9,15,9-三顺式-胡萝卜素；15,9-tri-cis-Phytofluene：15,9-二顺式-六氢番茄红素；15-cis-phytoene：15-顺式八氢番茄红素；all-trans-lycopene：全反式番茄红素；apocarotenoids：脱辅基类胡萝卜素；antheraxanthin：环氧玉米黄质；BCH：-胡萝卜素羟化酶；capsanthin：辣椒红素；-Carotene：-胡萝卜素；-Carotene：-胡萝卜素；CCD：类胡萝卜素裂解双加氧酶；CCS：辣椒红素合酶；CDP-ME：4-二磷酸胞苷-2-C-甲基赤藓醇；CDP-ME2P：4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藓醇-2-磷酸；CMK：4-二磷酸胞苷-2-C-甲基赤藓糖激酶；CMS：4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藓醇合酶；CRTISO：胡萝卜素异构酶；CYP97A：细胞色素 P450 单加氧酶 97A；CYP97C：细胞色素 P450 单加氧酶 97C；DMAPP：二甲基烯丙基焦磷酸；DOXP：5-磷酸脱氧木酮糖；DXS：5-磷酸脱氧木酮糖合成酶；DXR：脱氧木酮糖磷酸盐还原异构酶；G3P：甘油醛-3-磷酸；GGPP：香叶基香叶基二磷酸；GGPPS：香叶基香叶基二磷酸合酶；HDR：1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基 4-二磷酸还原酶；HDS：1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基 4-二磷酸合酶；HMBPP：1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基 4-二磷酸；IPP：异戊二烯焦磷酸；LCYB：番茄红素-环化酶；LCYE：番茄红素-环化酶；lutein：叶黄素；MCS：2-甲基赤藓糖-2,4-环二磷酸合酶；ME-2,4cPP：2C-甲基-D-赤藓醇 2,4-环二磷酸；MEP：2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸；neoxanthin：新黄质；NCED：9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶；NXS：新黄质合成酶；PDS：八氢番茄红素脱氢酶；PSY：八氢番茄红素合成酶;Pyruvate：丙酮酸；VDE：紫黄质脱氧环氧酶；violaxanthin：紫黄质；Z-ISO：-胡萝卜素异构酶；ZDS：-胡萝卜素脱氢酶；zeaxanthin：玉米黄质；ZEP：玉米黄质环氧酶。体异戊二烯生物合成，悬浮细胞中过表达导致叶绿素和类胡萝卜素的累积增加。光敏色素是植物体内的光传感器，研究表明在番茄中沉默 PhyA 或 PhyB2，果实中番茄红素含量和 PSY 基因表达均下调10。其调控机制与拟南芥类似，都是通过 PIF1 与 PSY 基因启动子的 G-box 结合从而抑制类胡萝卜素合成11。2.2 温度调控 低温和高温均会抑制类胡萝卜素合成基因表达，温度除了影响合成酶活性外，PIF1/HY5 动态转录系统会响应温度信号，根据温度变化调控类胡萝卜素代谢相关基因的表达。HY5 丰度受温度调节，HY5 转录物水平在低温下增强，促进 PSY、VDE 等基因表达，增强类胡萝卜素积累12。拟南芥Arabidopsis thaliana 幼苗在低温条件下 HY5(起转录激活作用)蛋白含量较常温条件下明显增加，而PIF1(起转录抑制作用)蛋白含量较常温条件下明显第 1 期 于银凤等：植物类胡萝卜素的代谢调控及储存转运研究进展 83减少，两者共同导致 AtPSY 基因的表达量显著增加。染色质免疫共沉淀(ChIP)分析发现，当植物体处于低温环境时，AtPSY 和 AtVDE 启动子优先与 HY5相结合13。另外，高温条件下，对玉米施加强光或是黑暗处理，ZmPSY1 和ZmPSY2 基因的表达均受到抑制14。在番茄中，PSY 基因表达水平与外界温度也密切相关，高温条件下 PSY 转录水平下调，致使番茄果实中类胡萝卜素含量降低5。这表明类胡萝卜素的转录调控可能是植物应答温度胁迫的一种响应机制。2.3 器官发育信号调节 植物花和果实等器官类胡萝卜素代谢受到生长发育相关转录因子的调控。R2R3-MYB、MADS-box、NAC、bHLH、AP2/ERF、HD-Zip 等转录因子家族被发现在果实发育过程中调控类胡萝卜素代谢。如在柑橘中，MADS-box 家族成员 CsMADS6 转录因子能直接同柑橘类胡萝卜素代谢途径关键分支点LCYb1 基因启动子区结合激活其表达，并上调其他CBP 基因(PSYPDS 和 CCD1)15。另外柑橘 bHLH家族成员CsTT8直接激活MEP途径(CsDXR、CsHDS和 CsHDR)和 CBP 途径(CsPDS、CsLCYE、CsZEP和 CsNCED2)基因表达，积累大量类胡萝卜素16。最近，研究人员发现番茄中编码 GARP G2-like 转录因子的基因 SlGCR(G2-LIKE CAROTENOID REGULATOR)能够与叶黄素生物合成的限速酶基因SlLCYE 启动子结合，激活其表达。进一步共表达分析发现，SlGCR 的表达受到调控因子 RIN 的负调控，从而抑制番茄果实成熟过程中叶黄素的合成17。在柑橘中，CrMYB68 可以直接同 CrBCH2 和CrNCED5 基因启动子结合抑制其表达，并且CrMYB68通过调控CrBCH2基因的表达直接抑制-胡萝卜素和-胡萝卜素的转化，通过调控 CrNCED5的表达间接影响类胡萝卜素的代谢，促进 ABA 的生物合成18。芒果 Mangifera indica 的 MiMYB10 是直接调控 MiPDS 基因表达的重要转录因子；在番茄中沉默 MYB10 会导致果实颜色发生明显变化，成熟时期番茄果肉由红色变为橙绿色且类胡萝卜素含量显著下调19。目前在花瓣中鉴定出的类胡萝卜素生物合成转录调控因子主要包括 RCP1、WP1 和 RCP2。在苜蓿Medicago truncatula 花中，发现 MYB 的激活因子WP1(WHITE PETAL1)R2R3-MYB 转录因子对类胡萝卜素合成起转录激活作用，WP1 与 MtTT8 和MtWD40-1 相互作用，直接激活 CBP 途径基因如MtLYCe和MtLYCb的表达，促进类胡萝卜素积累20。2020 年，Stanley 等21在猴面花 Mimulus lewisii 中鉴定到一类编码 TPR 蛋白的转录因子 RCP2，RCP2基因过表达增强花中类胡萝卜素生物合成和花组织中质体的发育。此外，在猴面花中另一个编码 R2R3-MYB转录因子的RCP1基因的突变会使整个类胡萝卜素生物合成途径相关基因表达均下调，花蜜腺中类胡萝卜素含量也降低22。2.4 质体发育调控 类胡萝卜素生物合成的酶主要集中在质体膜上，质体中含有类胡萝卜素代谢的几乎所有酶，是植物中类胡萝卜素合成的唯一细胞器。在花椰菜Brassica oleracea var.botrytis 的 Or(Orange)突变体中，-胡萝卜素含量比野生型增加几百倍，而类胡萝卜素合成基因的表达则没有显著差异。突变的 Or基因编码一个与质体发育相关的蛋白，该突变是由一个长末端重复序列反转录转座子插入该基因引起，从而激发质体前体或白色体转化为有色体，促进了类胡萝卜素的合成与积累23。3 类胡萝卜素储存及定位 质体是植物细胞中类胡萝卜素生物合成和储存场所。质体普遍存在于植物中，并以各种类型存在，如前质体、淀粉体、黄化质体、叶绿体和有色体(图 2)。研究发现除前质体外，其他类型的质体都具有产生类胡萝卜素的能力24。类胡萝卜素可在果实、花、根和种子的所有类型的质体中积累。通常，质体中色素的类型决定了细胞的颜色，不同类型的质体合成不同类型的类胡萝卜素25。例如：淀粉体是种子、根和块茎中储存淀粉的质体，淀粉体通常仅含有相对低水平的类胡萝卜素，可能是因为淀粉体中存在限制类胡萝卜素生物合成和积累的潜在因素。但在玉米淀粉体中，类胡萝卜素以较高水平存在。野生型玉米种子主要积累叶黄素，其次是 第 53 卷 84 图 2 植物主要质体类型及其相互转化(由 Figdraw 绘制)Fig.2 Major plastid types and their interconversion in plant(by Figdraw)玉米黄质、叶黄素单酯和微量的-胡萝卜素2627。叶黄素是小麦淀粉体中存在的主要类胡萝卜素。而在光合器官(如叶片)中，类胡萝卜素的合成发生在叶绿体，大量类胡萝卜素位于叶绿体类囊体膜，以光合色素-蛋白质复合体的形式与叶绿素共存参与植物光合作用。在花、果实和根中类胡萝卜素类以高水平积累在有色体中。有色体结构具有多样性，按形状分为球状、膜状、管状、网状和结晶状28。同一器官中可以存在不同类型的质体。不同的器官和物种中含有不同种类和含量的类胡萝卜素。脐橙(中国柑橘)、星红葡萄柚(天堂柑橘)和宫川柑橘(温州蜜柑)的绿色(G)或破色(B)阶段，果皮含有叶绿体，积累-胡萝卜素和叶黄素；而果肉含有色质体，积累高水平的类胡萝卜素29。另外，质体具有显著的分化、去分化、再分化及转分化能力。在植物发育过程中，不同类型的质体可以相互转化3031。苹果果实发育的不同阶段质体结构发生了有趣的变化。幼嫩苹果表皮细胞层中的质体类似于前质体，只有极少量的质体小球(Pg)、嗜锇堆积膜(SM)和暗染色的球状结构32。番茄果实是研究类胡萝卜素合成的良好模型。2011 年 Egea 等33利用蔗糖梯度密度法分离番茄果皮不同发育阶段质体，使用 Ar 激光器的488 nm激发光对不同阶段质体类胡萝卜素的分布成像，而 He:Ne 激光器的 633 nm 激发光器则对叶绿素成像。绿熟期完整质体定位在 1.15 M1.45 M 的蔗糖层，转色期质体在蔗糖梯度中被分为从绿色到黄色的四层质体颜色；完熟期的质体被很好地分离为单个条带。通过激光共聚焦显微镜对不同发育阶段色素荧光强度进行检测，结果表明绿熟期的典型质体几乎只含叶绿素，转化期质体中叶绿素水平急剧下降而类胡萝卜素含量显著增加，到完熟期质体发育成完整的色质体，只含类胡萝卜素33。有色体不仅来源于叶绿体，也可以来自于前质体、白色体和淀粉体等3436。4 类胡萝卜素的转运及转运体鉴定策略 类胡萝卜素及其衍生物作为色素、挥发物和信号分子在植物生长发育过程中发挥重要作用，虽然植物中类胡萝卜素的生物合成途径已经比较清楚，但鲜有报道介绍参与类胡萝卜素在细胞内和细胞间转运的蛋白质及其转运过程。目前，根据萜类的性质，可能参与类胡萝卜素转运的物质有 ABC 转运蛋白(ATP-Binding Cassette Transporters)、MATE 蛋白(Multidrug and Toxic Compound Extrusion)、NPF 蛋白(Nitrate Transporter1/Peptide Transporter)家族。4.1 ABC 转运蛋白 ABC 转运蛋白是一类广泛存在于细菌、高等植物的庞大蛋白质家族，这些蛋白质都存在 ATP 结合盒(ATP binding cassette)，即核苷酸结合域(NBD)以及跨膜区(TMD)37。越来越多的研究表明，ABC 转运蛋白在植物花色、花香以及植物激素转运等方面发挥重要作用。ABCG(ABC subtype G Transporters)作为 ABC 转运蛋白最大的转运家族，在物质转运中发挥重要作用，已经先后发现 ABCG 家族成员介导植物萜类激素 ABA、GA、Strigolactones 等以及萜类生物碱的转运。早在 2001 年就有研究人员发现ABC 转运蛋白成员 NpABC1 参与烟草 Nicotiana tabacum叶片抗真菌二萜物质香紫苏内酯的转运38。之后同样发现，过表达 PDR5-like ABC 转运蛋白SpTUR2 基因，植物分泌香紫苏醇能力增加，提示香紫苏醇可能是其转运底物39。在青蒿 Artemisia caruifolia 中 克 隆 到 两 个 PDR(Pleiotropic Drug Resistance)亚家族成员，当在酵母细胞中表达第 1 期 于银凤等：植物类胡萝卜素的代谢调控及储存转运研究进展 85AaPDR1 后，酵母菌体中二氢青蒿酸含量显著下降，推测其可能参与二氢青蒿酸外排；而 AaPDR3 转运蛋白则可能参与-石竹烯转运40。在酵母细胞中异源表达长春花 ABC 转运蛋白 CrTPT2 基因，可以表现出明显的单帖生物碱长春花碱的外排41。4.2 MATE 蛋白 MATE 蛋白是一类重要的跨膜转运蛋白，不仅参与次生代谢物质转运、毒素或外源物质的转运以及 Fe3+稳态、Al3+激活的柠檬酸盐等有机分子的转运等过程，还在激素运输，细胞和器官大小的调节以及植物衰老中发挥重要作用。研究表明，烟草中至少由 NtMATE1、NtMATE2、NtJAT1、NtJAT2 等共同完成次生代谢物质的转运4243。最近发现甜瓜Cucumis melo 和西瓜 Citrullus lanatus 中MATE 蛋白家族成员 CmMATE1 和 ClMATE1 同样具有转运三萜葫芦素的功能44。4.3 NPF 基因家族 NPF 基因家族是植物体内普遍存在的硝酸盐转运蛋白，同时负责硫苷、多肽、钾盐、植物激素等物质的运输。在长春花 Catharanthus roseus 中发现CrNPF2.9 能将单萜吲哚生物碱(MIA)生物合成的中心中间体异胡豆苷(Strictosidine)从液泡运输到细胞质45。此外，过表达 NPF3-YFP 能促进拟南芥根伸长区 GA3-Fl 的累积，利用爪蟾卵母细胞表达系统发现 NPF3 蛋白能促进卵母细胞摄入 GA 和 ABA46。4.4 转运体筛选策略 4.4.1 基于激素受体复合物互作特性基于激素受体复合物互作特性 基于激素和激素受体形成复合物的特性，在酵母双杂系统中共表达激素受体复合物，将受体复合物的不同部分分别与酵母表达质粒的 DNA 转录激活结构域(AD)和 DNA 结合结构域(BD)结合，使其受到激素水平调节，进而筛选植物激素转运体。例如，使用 0.1 molL1 ABA 筛选能够诱导 PYR1(Pyrabactin Resistance 1)和 PP2C(Protein phosphatase type 2C)之间相互作用的 cDNA 克隆(在该浓度下ABA 受体 PYR1 和 PP2C 不存在相互作用)，成功筛选到 NPF 基因家族成员介导 ABA 转运47。4.4.2 使用荧光标记底物筛选转运体使用荧光标记底物筛选转运体 荧光成像技术不断发展完善，可用来研究目的基因的表达、蛋白质运输以及各种细胞内动态的生物化学信号变化情况，由于其具有高的灵敏度、操作简便和易观测等优势，被广泛应用于生物实验。近年来，这项技术已成功应用于激素转运体鉴定，如利用荧光标记的 GA-Fl 证明，在低浓度硝酸盐存在下，NPF 家族成员能够转运赤霉素4648。4.4.3 宿主细胞的异源表达宿主细胞的异源表达 异源表达是基于基因工程手段将目的基因在异源宿主如烟草、大肠杆菌、酵母菌、人源细胞、昆虫细胞等体系中外源高效率表达的手段。作为当前研究天然产物生物合成和分泌的重要手段之一，已经成功应用于转运体鉴定。烟草、酵母及卵母细胞已作为鉴定转运体的异源宿主。利用酵母微粒体囊泡系统和非洲爪蟾卵母细胞系统成功验证了CmMATE1 和 ClMATE1 转运黄瓜 Cucumis sativus苦味物质葫芦素 CuB 和 CuE 的能力，发现 MATE转运蛋白能够外排葫芦素44。5 展望 类胡萝卜素是对植物和人类健康非常重要的次生物质，在过去的二十年里，类胡萝卜素代谢通路研究已取得显著进展，在不同的植物中也具有一定的保守性，虽然近年来陆续发现在转录水平、转录后水平、翻译后水平、储存和降解、产物反馈调控类胡萝卜素合成等方面取得一些进展，但总体来说，类胡萝卜素的调控机制研究还较零散，对类胡萝卜素代谢调控的研究不够深入，尤其是类胡萝卜素在植物体内的存储、转运和检测分析技术还有待进一步挖掘与深入研究。质体是类胡萝卜素代谢的重要场所，质体的类型对不同类型类胡萝卜素的生物合成和积累有着重要影响。不同功能的质体影响着类胡萝卜素代谢网络，并导致类胡萝卜素生物合成途径和存在形式的不同，从而导致植物器官中存在不同数量和种类的类胡萝卜素。未来对类胡萝卜素研究的关键热点之一在于，类胡萝卜素途径中这些不同组分是如何协调组装成不同的代谢体(metabolons)来执行不同的功能，这将有助于更好地理解类胡萝卜素及其衍生物如何响应环境和发育信号，进而进行不同的空间分布和功能执行。先进的组学技术和 第 53 卷 86全基因组关联分析可以帮助我们更好地理解复杂的类胡萝卜素代谢网络，并加快识别参与类胡萝卜素代谢的新基因。通过对新的调控因子的特征和内在调控机制的研究，可以极大地促进我们对类胡萝卜素代谢的调控的认识，并为作物中类胡萝卜素的富集提供新的研究策略，这对于将来进行作物营养品质改良具有重要的指导意义。参考文献 1 Johnson J D.Do carotenoids serve as transmembrane radical channels J.Free Radical Biology&Medicine,2009,47(3):321323.2 Watkins J L,Pogson B J.Prospects for carotenoid biofortification targeting retention and catabolism J.Trends in Plant Science,2019,25(5):501512.3 Lu S,Li L.Carotenoid metabolism:biosynthesis,regulation,and beyond J.Journal of Integrative Plant 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