植物中β-紫罗兰酮生物合成及调控研究进展.pdf

综述与专论2023,39(8):91-105生物技术通报BIOTECHNOLOGY BULLETIN收稿日期：2023-03-09基金项目：国家自然科学基金项目（32071828），江苏高校优势学科建设工程资助项目，盐碱地园林植物选育及产业化应用研究作者简介：叶云芳，女，硕士研究生，研究方向：园林植物种质创新与利用；E-mail: 通讯作者：王良桂，男，教授，博士生导师，研究方向：园林植物种质创新与利用；E-mail:植物中-紫罗兰酮生物合成及调控研究进展叶云芳1，2 田清尹1，2 施婷婷1，2 王亮3 岳远征1，2 杨秀莲1，2 王良桂1，2（1.南京林业大学，南京 210037；2.南方现代林业协同创业中心，南京 210037；3.大千生态环境集团股份有限公司，南京 210036）摘 要：-紫罗兰酮（-ionone,BI）是一种重要的天然香气挥发性化合物，广泛分布于植物中，是由类胡萝卜素裂解双加氧酶对-胡萝卜素的 9，10 和 9，10 裂解产生的一种脱辅基类胡萝卜素。-紫罗兰酮作为环化异戊二烯的代表，具有抗菌、抗病毒和抗肿瘤等多种生物活性，因此，植物中-紫罗兰酮的生物合成与代谢调控研究逐渐成为热点。本文对植物中的-紫罗兰酮生物活性、生物合成与调控等相关研究进展进行了归纳总结，重点综述了植物中的-紫罗兰酮生物合成途径及其相关酶，随后从分子水平阐述了类胡萝卜素裂解双加氧酶基因对-紫罗兰酮生物合成的控制，以及 WRKY、NAC、ERF 和 MYB 等转录因子调控相关结构基因的表达从而影响-紫罗兰酮生物合成，总结了温度、光照、水分和土壤盐碱度等环境因子对植物中的-紫罗兰酮生物合成的调控，并且介绍了-紫罗兰酮生物合成途径中相关基因对植物叶片、花朵、果实色泽和香味的影响，以及利用基因过表达、基因沉默等基因工程技术对植物中-紫罗兰酮生物合成的改良，同时对植物中-紫罗兰酮研究尚待解决的问题作了合理展望，旨在为植物中的-紫罗兰酮生物合成和调控机制的更深层次的研究提供理论帮助，为改良植物花香物质、获得高产量的天然-紫罗兰酮提供理论参考。关键词：-紫罗兰酮；类胡萝卜素裂解双加氧酶；生物合成；分子调控；类胡萝卜素；脱辅基类胡萝卜素；基因工程技术DOI:10.13560/ki.biotech.bull.1985.2023-0208Research Progress in the Biosynthesis and Regulation of-ionone in PlantsYE Yun-fang1,2 TIAN Qing-yin1,2 SHI Ting-ting1,2 WANG Liang3 YUE Yuan-zheng1,2 YANG Xiu-lian1,2 WANG Liang-gui1,2（1.Nanjing Forestry University,Nanjing 210037;2.Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China,Nanjing 210037;3.Daqian Ecology&Environment Group Co.,Ltd,Nanjing 210036）Abstract:-ionone（-ionone,I）is an important natural aroma volatile compound widely distributed in plants,which is an apocarotenoid produced by carotenoid cleavage dioxygenases cleaving-carotene at the 9,10 and the 9,10 positions.As a representative of cyclized isoprene,-ionone has various biological activities such as antibacterial,antiviral and antitumor.Therefore,studies on the biosynthesis and metabolic regulation of-ionone in plants has gradually become a hot topic.This paper summarizes the progress of-ionone bioactivity,biosynthesis and regulation in plants,focusing on the-ionone biosynthesis pathway and its related enzymes,followed by the control of-ionone biosynthesis by carotenoid cleavage dioxygenase genes at the molecular level,as well as transcription factors such as WRKY,NAC,ERF and MYB regulate the expressions of related structural genes and thus affect-ionone biosynthesis.And the paper describes the effects of environmental factors such as temperature,light,water and soil salinity on-ionone biosynthesis in plants.It also introduces the effects of genes involved in the biosynthetic pathway of-ionone on the color and aroma of plant leaves,flowers and fruits,as well as the improvement of-ionone biosynthesis in plants using gene overexpression,gene silencing and other genetic engineering techniques,and makes reasonable prospects for the problems to be solved in the research on-ionone in plants,aiming to provide theoretical assistance for the deeper research on 生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.892植物的叶、花、果实、种仁等结构会释放出各种各样的挥发性有机化合物（volatile organic compounds,VOCs）1-2。VOCs 是亲脂性液体，通常分为苯丙烷类、脂肪酸、氨基酸和萜类化合物3，-紫罗兰酮（-ionone,BI）是植物产生的一种 VOCs，属于萜类化合物。“紫罗兰酮”的名字来源于“iona”（希腊语为紫罗兰色）和“酮”，前者指紫罗兰的气味，后者指紫罗兰酮的结构，-紫罗兰酮作为一类环化异戊二烯，广泛用于化工合成视黄酸、视黄醇、-胡萝卜素和维生素 A 等化合物4-7。由于-紫罗兰酮具有极低的气味阈值和宜人的气味，被广泛应用于化妆品和香水行业8。此外，-紫罗兰酮具有抗癌、抗菌抗炎、抗微生物和降血脂等有益人体健康的功效9-14。作为植物重要的香气物质之一，-紫罗兰酮广泛分布于许多植物中，如桂花（Osmanthus fragrans）、矮牵牛（Petunia hybrida）、波邦蔷薇（Rosa bourboniana）、欧洲酸樱桃（Prunus cerasus）、无花果（Ficus carica）等5,15-21。综上所述，-紫罗兰酮作为一类异戊二烯，在提高植物观赏性能、促进人体健康以及生产应用等方面具有重要作用，因此植物-紫罗兰酮的生物合成与代谢调控研究逐渐成为热点。本文结合-紫罗兰酮的理化性质、生物活性，综述-紫罗兰酮生物合成调控途径、途径中相关基因对植物花、果、叶的影响和基因工程技术对植物中-紫罗兰酮进行改良的研究进展，同时对该领域研究作了合理展望，以期为人工调节植物中-紫罗兰酮的含量，提高植物的观赏性状及获得高产量的天然-紫罗兰酮提供参考。1-紫罗兰酮的基本性质1.1 植物中的-紫罗兰酮作为一种常见的天然 VOC，-紫罗兰酮主要存在于一些香味浓郁的植物中，如覆盆子（Rubus idaeus）、甜 樱 桃（Prunus avium）、葡 萄（Vitis vinifera）等果实，或茶叶（Camellia sinensis）、桂花、杜松（Juniperus rigida）、粗糙雾冰藜（Bassia muricata）等植物的花、叶中22-30。不同植物中-紫罗兰酮相对含量的差别很大，例如在变叶木（Codiaeum variegatum）中有相对含量高达 29.7%的环 氧-紫 罗 兰 酮31；树 莓（Rubus corchorifolius）中检测出-紫罗兰酮相对含量为 10.46%32；而-紫罗兰酮在中国黄茶中的相对含量则极低，其质量分数只有 1.10 g/kg33。-紫罗兰酮在同种植物不同品种中的相对含量也不一样，在浙江省栽培的29 个桂花品种中，检测出-紫罗兰酮相对含量最低和最高的品种间有超过 10 倍的差距，其范围为4.75%-50.90%25。通过分析不同颜色（橙色、紫色、白色和黄色）的胡萝卜（Daucus carota）品种根部的 VOCs 组成发现，只有橙色和紫色品种的根部会积累大量-紫罗兰酮，白色和黄色品种的根部则无 积累21。1.2-紫罗兰酮的理化性质及其衍生物紫罗兰酮是一种由 13 个碳组成的酮类化合物，具有一个单环萜类骨架，自然界中存在多种异构紫罗兰酮，包括-紫罗兰酮、-紫罗兰酮等，它们的区别在于双键的位置不同8,34。-紫罗兰酮（C13H20O）全称 4-（2,6,6-三甲基-1-环己烯基）-3-丁烯-2-酮，分子量为 192.306。其颜色为淡黄色或黄色，常温下以液体形式存在，不溶于水和甘油，可溶于大多数油和醇类物质，具有紫罗兰（Matthiola incana）花香香味35。-紫罗兰酮已经被美国食品药品监督局批准为安全类物质（generally recognized as safe,GRAS），广泛应用于食品工业中12。目前有多种已被鉴定的-紫罗兰酮衍生物，如二氢-紫罗兰酮、甲基-紫罗兰酮、6-甲基-紫罗兰酮、异甲基-紫罗兰酮等，和-紫罗兰酮一样，都具有木香、花香、果香香气，可用作食品添加剂、化妆品和香水的组成部分8,36-39。此外，还可以通过一定的技术手段将-紫罗兰酮转化为-紫罗兰酮的衍生物，例如-the biosynthesis and regulatory mechanism of-ionone in plants,and provide a theoretical foundation for improving plant floral aroma substances and obtaining a high yield of natural-ionone.Key words:-ionone;carotenoid cleavage dioxygenase;biosynthesis;molecular regulation;carotenoid;apocarotenoids;genetic engineering techniques2023,39(8)93叶云芳等：植物中的-紫罗兰酮生物合成及调控研究进展紫罗兰酮通过使用昂贵的催化剂，如手性铑或膦钌的不对称加氢这一化学生产过程可以合成二氢-紫罗兰酮40-41。生物技术生产方面，来自青蒿（Artemisia annua）的青蒿醛双键还原酶（double bond reductase,DBR）可以实现将-紫罗兰酮转化为二氢-紫罗兰酮42。但在生物体内，-紫罗兰酮和其衍生物的相互转化的机制仍需进一步探讨（表 1）。1.3-紫罗兰酮的生物活性-紫罗兰酮在生物体内外均表现出强大的抗癌活性47。-紫罗兰酮可抑制细胞增殖并调节 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶 A（3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase,HMGCoA）还原酶，从而在肝癌发生过程中显示出良好的预防作用48。-紫罗兰酮具有通过自由基清除特性的抗增殖和抗氧化潜力，可以有效改善肺部癌变49；-紫罗兰酮还可以抑制大鼠由 7,12-二甲基苯并蒽（7,12-dimethylbenzaanthracene,DMBA）引发的乳腺癌47。此外，-紫罗兰酮具有很好的抗菌效果，例如龙胆（Adenophora capillaris）、钻果大蒜芥（Sisymbrium officinale）等提取精油后，采用圆盘扩散法或最小抑菌浓度程序评价-紫罗兰酮的抗菌活性，结果表明，所有精油均表现出潜力巨大的抗菌活性50-53。驱避或引诱昆表 1-紫罗兰酮、-紫罗兰酮及其衍生物的概况Table 1 General information of-ionone,-ionone and their derivatives名称Name化学结构Chemical structure 气味Scent 参考文献 Reference-紫罗兰酮-iononeO甜腻莓果香、近似覆盆子果酱，有很强大的气味冲击性，存在于桂花、玫瑰等植物中34 -紫罗兰酮-iononeO具有暖香、木香、紫罗兰花香香气，存在于桂花、雪松（Cedrus deodara）等植物中8,36二氢-紫罗兰酮Dihydro-iononeO具有醇厚、甜美和清新的木香、果香和花香气味43甲基-紫罗兰酮Methyl-iononeO紫罗兰、鸢尾花（Iris tectorum）的干燥气味，带有一点甜37异甲基-紫罗兰酮Iso-methyl-iononeO具有细致的紫罗兰香气393-羟基-紫罗兰酮3-Hydroxy-IononeHOO具有独特气味，存在于苔藓植物（Bryophyta）、水芹（Oenanthe javanica）等植物中44-453-羟基-5,6-环氧-紫罗兰酮3-Hydroxy-5,6-epoxy-iononeOHOO具有独特香味，存在于烟草（Nicotiana tabacum）或烟气中46生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.894虫研究表明，-紫罗兰酮对跳蚤甲虫（Phyllotreta cruciferae）和蜘蛛螨（Tetranychus urticae）都有很强的驱虫作用54；研究推测当-紫罗兰酮释放出足够的量，可以阻止食草昆虫侵害在露天栽种的作物55。-紫罗兰酮也可用作诱饵来吸引昆虫，在巴西巴拉那州伊瓜苏国家公园的混合亲水森林或这一地貌与山地半落叶森林之间的过渡区，用-紫罗兰酮作为气味诱捕器的诱饵，可以持续捕获雄性下颌真舌蝴蝶（Euglossa mandibularis）56。通过使用其作为信息素来吸引昆虫，可减少农药使用，从而实现环保型生产。2-紫罗兰酮合成途径及其调控机制2.1 植物中-紫罗兰酮的合成代谢及其相关酶现有研究表明，-紫罗兰酮存在于含有类胡萝卜素（carotenoid）的植物中，从合成途径上看，-紫罗兰酮主要是由类胡萝卜素裂解产生的一种脱辅基类胡萝卜素（apocarotenoids）43。目前合成香气物质-紫罗兰酮的基本途径和结构基因已经得到鉴定和克隆，然而关于其形成的调控机理仍鲜有报道。脱辅基类胡萝卜素和类胡萝卜素作为异戊二烯的一个亚类，其生物合成主要来源于番茄红素，番茄红素起始于 2-C-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸（mevalonate pathway,MEP）途径合成的异戊烯基焦磷酸盐（isopentenyl diphosphate,IPP）和二甲基 烯 丙 基 焦 磷 酸 盐（dimethyl allyl pyrophosphate,DMAPP）57。番茄红素经由番茄红素-环化酶（lycopene-cyclase,LCYE）和 番 茄 红 素-环 化酶（lycopene-cyclase,LCYB）催 化 转 化 为-胡萝卜素和-胡萝卜素、-胡萝卜素和-胡萝卜素58。然后-胡萝卜素通过-环胡萝卜素羟化酶（carotene-hydroxylase,CHYE）和-环胡萝卜素羟化酶（carotene-hydroxylase,CHYB）催化的过程转化为叶黄素。而-胡萝卜素的降解一分为二：一方面通过-胡萝卜素羟化酶（-carotene hydroxylase,BCH）和玉米黄质环氧化物酶（zeaxanthin epoxidase,ZEP）催化的过程转化为环氧玉米黄质和紫黄质，最后通过新黄质合成酶（neoxanthin synthase,NXS）合成新黄质；另一方面通过类胡萝卜素裂解氧化酶（carotenoid cleavage oxidases,CCOs）裂解成脱辅基类胡萝卜素（图 1）59。CCOs 可以分解类胡萝卜素的多烯链特异性双键，其包括类胡萝卜素切割双加氧酶（arotenoid cleavage dioxygenases,CCDs）和九顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶（9-cis-epoxycarotenoid dioxygenas,NCEDs）60-63。将 来 自 高 粱（Sorghum bicolor）、玉 米（Zea mays）和 水 稻（Oryza sativa）等 12 个物种的 90 个 CCO 基因分为 6 组（即 CCD1、CCD4、CCD7、CCD8、NCED 和 CCD-like），其中来自高粱、玉米和水稻的一些 CCD8 基因与其他 9 个物种的 CCD8 基因没有分为一组，而是聚集在 CCD-like 组中62。已有研究表明，CCD7 和 CCD8 与形成独脚金内脂有关，而形成与-紫罗兰酮香气成分相关的 CCD 主要是 CCD1、CCD4、CCD1064-65。它们具有不同的特异性和切割位点，以不同的类胡萝卜素作为底物，从而有助于植物中脱辅基类胡萝卜素香气成分多样性地形成57,64,66-68。而关于-紫罗兰酮在植物体内的降解途径鲜有报道，目前仅在青蒿和桂花中有所研究，-紫罗兰酮可由 DBR1、DBR2 在植物体外生物转化成二氢-紫罗兰酮42。笔者团队根据桂花中已有功能报道的类 DBR 氨基酸序列，在日香桂基因组中同源比对，得到与其同源性高达 99%的序列（evm.model.Contig48.8），即12-氧代植物二烯酸还原酶（12-oxo-phytodienoic acid reductase,OPR），但其功能是否与 DBR 一致，还需进一步实验研究（数据未发表）。2.2-紫罗兰酮合成途径的基因调控合成-紫罗兰酮的前体物质是类胡萝卜素，由其合成途径可知主要由 CCD 酶基因参与类胡萝卜素裂解（图 2-A）。研究表明在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中，AtCCD1 可以催化线性和环状类胡萝卜素 9，10（9，10）位置的裂解，基于类胡萝卜素底物的不同性质产生 1-2 个紫罗兰酮分子或不同的氧化衍生物60。此外，CCD1 还可以在 5，6（5，6）和 7，8（7，8）位置切割番茄红素双键69-70。目前，已在桂花和茶叶等多种植物中鉴定出 CCD1 的同源基因，可催化类胡萝卜素裂解产生-紫罗兰酮，且研究表明CCD1的启动子和编码序列多样性有助于-紫罗兰酮的差异积累43,71。CCD4 在拟南芥、大马士革玫瑰（Rosa damascena）、菊花（Chrysanthemum 2023,39(8)95叶云芳等：植物中的-紫罗兰酮生物合成及调控研究进展morifolium）和苹果（Malus domestica）、葡萄中切割-胡萝卜素以产生-紫罗兰酮72-73。现有研究验证了一种来自烟草的新型类胡萝卜素切割双加氧酶NtCCD10 的功能，NtCCD10 和 CCD1 在结构上存在一些差异，NtCCD10 可以在 9，10（9，10）位置对称地裂解八氢番茄红素和-胡萝卜素，产生香叶基丙酮和-紫罗兰酮65。除结构基因参与-紫罗兰酮生物合成外，还有转录因子参与调控-紫罗兰酮合成。植物中的主要转录因子家族包括 WRKY、MYB、NAC、MADS等，它们参与众多生命活动，如应激反应、新陈代谢和激素诱导等。然而，目前对调节 CCD 表达的转录因子知之甚少。有研究表明，在枣黄和橙红丹桂两个桂花品种中-紫罗兰酮含量差异主 MEP途径MEP pathway香叶基焦磷酸盐GGPP八氢番茄红素Phytoene-紫罗兰酮-IononeCCD1CCD4CCD10二氢-紫罗兰酮Dihydro-iononeGGPPSPSYDBR 二甲基丙烯基焦磷酸DMAPP丙酮酸+甘油醛-3-磷酸Pyruvate+GAP丙酮酸+甘油醛-3-磷酸Pyruvate+GAP1-脱氧木酮糖-5-磷酸DXP番茄红素LycopeneCRTISOZ-ISOZDSPDS-胡萝卜素-Carotene-胡萝卜素-Carotene-胡萝卜素-Carotene独脚金内脂StrigolactonesLCY-B-胡萝卜素-Carotene-隐黄质-Cryptoxanthin叶黄素LuteinCHY-BCHY-ELCY-BLCY-E-隐黄质-Cryptoxanthin玉米黄质Zeaxanthin胡萝卜素Carotenes含氧胡萝卜素Xanthophylls脱辅基类胡萝卜素ApocarotenoidsLCY-BBCHBCH异戊烯基焦磷酸IPPCCD7CCD8环氧玉米黄质Antheraxanthin紫黄质VioloxanthinZEPVDEZEPVDE新黄质NeoxanthinNXSMEP：2-C-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸；IPP：异戊烯基焦磷酸盐；DMAPP：二甲基烯丙基焦磷酸盐；PSY：八氢番茄红素合酶；GGPPS：香叶基焦磷酸合酶；GGPP：香叶基焦磷酸盐；LCY-B：番茄红素-环化酶；LCY-E：番茄红素-环化酶；CHY-B：胡萝卜素-羟化酶；CHY-E：胡萝卜素-羟化酶；BCH：-胡萝卜素羟化酶；PDS：八氢番茄红素去饱和酶；ZDS：-胡萝卜素去饱和酶；Z-ISO：-胡萝卜素异构酶；CRTISO：胡萝卜素异构酶；ZEP：玉米黄质环氧化物酶；VDE：紫黄质脱环氧酶；NXS：新黄质合成酶；CCD：类胡萝卜素切割双加氧酶；DBR：双键还原酶；OPR：12-氧代植物二烯酸还原酶。实线表示直接调控，虚线表示间接调控或调控机制尚未明确MEP:2-C-methyl-D-erythritol-4-phosphate;IPP:isopentenyl diphosphate;DMAPP:dimethyl allyl pyrophosphate;PSY:phytoene synthase;GGPP:geranylgeranyl pyrophosphate synthase;GGPP:geranylgeranyl pyrophosphate;LCY-B:lycopene-cyclase;LCY-E:lycopene-cyclase;CHY-B:carotene-hydroxylase;CHY-E:carotene-hydroxylase;BCH:-carotene hydroxylase;PDS:phytoene desaturase;ZDS:-carotene desaturase;Z-ISO:-carotene isomerase;CRTISO:carotenoid isomerase;ZEP:zeaxanthin epoxidase;VDE:violaxanthin de-epoxidase;NXS:neoxanthin synthase;CCD:carotenoid cleavage dioxygenase;DBR:double bond reductase;OPR:12-oxo-phytodienoic acid reductase.Solid lines indicate direct regulation,while dotted lines indicate indirect regulation or unclear regulatory mechanisms图 1 植物中-紫罗兰酮的生物合成途径Fig.1 Biosynthetic pathways of-ionone in plants生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.896要受转录因子调控影响74。桂花 OfWRKY3 可以与OfCCD4 启动子中存在的 W-box 回文基序结合，是OfCCD4 基因的正调节因子75。同时 OfWRKY1 和OfERF61 也被证明上调桂花 OfCCD4 基因的表达，影响-紫罗兰酮合成，使花香改变76。而桃（Prunus persica）的 PpNAC19 和葡萄的 VvMADS4 可抑制各自体内 CCD4 的启动子活性，负调控-紫罗兰酮合 成73,77。部分转录因子通过调节-类胡萝卜素的转化也能影响到-紫罗兰酮，比如柑橘（Citrus reticulata）中 的 CrMYB68 可 以 负 调 控 CrBCH2 和CrNCED5 两个基因表达，从而控制类胡萝卜素-分支和-分支的转化，最终影响-紫罗兰酮的合成，同属于柑橘属的甜橙（Citrus sinensis）的转录因子 CsMADS6、CsERF061 通过直接结合 CCD1 启动子来上调其的表达78-80。除此之外，转录因子还可以通过影响相关信号传导蛋白的活性从而控制-紫罗兰酮合成，如番茄（Solanum lycopersicum）中的 SlPRE2 通过影响参与光信号传导的 bHLH（basic helix-loop-helix）蛋白的活性来控制类胡萝卜素裂解合成-紫罗兰酮（图 2-A）81。2.3-紫罗兰酮合成途径的环境因子调控-紫罗兰酮除了由-胡萝卜素通过 CCD1、CCD4、CCD10 酶促反应裂解产生，也受环境因素的调控。研究表明，-紫罗兰酮可以由光氧化和热氧化降解合成82。对棉花（Gossypium hirsutum）的GhCCDs 中启动子区域的顺式作用元件分析表明，大多数元件与光、冷、热、盐和干旱等非生物胁迫的响应有关，这表明-紫罗兰酮合成途径关键酶基因受环境因子调控83。蓝藻（cyanobacteria）在高光诱导下上调 NosCCD 基因表达，促进-紫罗兰酮的合成84。紫外线 B（ultraviolet B,UV-B）辐射通过控制桃中的 PpCCD4 的转录水平，从而介导-紫罗兰酮的合成，此外，用乙烯熏蒸处理过的桃中-紫罗兰酮的含量显著增加85。在茶叶枯萎的过MOfWRKY1OfWRKY3OfERF61PpNAC19CrMYB68SlPRE2VvMADs4CsMADS6CsERF061LightenergyCO2Carica papayaChrysanthemum morifoliumIpomoea nilBrassica napusPetunia hybridaLycopersicon esculentumNicotiana tabacumCamellia sinensisMalus domesticaOsmanthus fragransRosa damascenaVitis viniferaCitrus reticulataCitrus sinensisPrunus persicaSignaltransmissionO2Salt stressDrought stressABA：一些植物中-紫罗兰酮合成相关的结构基因和部分转录因子；绿色箭头表示正调控，红色箭头表示负调控；B：影响-紫罗兰酮合成的环境因子A:Structural genes related and partial transcription factors associated with-ionone synthesis in some plants;green arrows indicate positive regulation,red arrows indicate negative regulation.B:Environmental factors of the-ionone synthetic pathway图 2 植物中-紫罗兰酮的合成调控图Fig.2 Regulation map of-ionone synthesis in plants2023,39(8)97叶云芳等：植物中的-紫罗兰酮生物合成及调控研究进展程中-紫罗兰酮会逐渐积累，有两种酶的含量变化可以验证该现象，分别为 CsCCD4 和 CsCCD1a，其中 CsCCD4 含量变化是由机械损伤和低温引起的，CsCCD1a 的含量变化由脱水应激诱导86。另外，高盐胁迫会导致杜氏菌中包括-紫罗兰酮、-紫罗兰酮和-环柠檬醛在内的类胡萝卜素裂解产物大量积累87。因此，包括-紫罗兰酮在内的多种类胡萝卜素氧化产物可以作为植物中的胁迫信号（图 2-B）88。3-紫罗兰酮合成相关基因对植物叶片、花朵、果实的影响-紫罗兰酮合成的过程也是类胡萝卜素降解的过程，因此其相关基因对植物的叶片、花朵、果实主要有色泽和香气两部分的影响。3.1-紫罗兰酮合成相关基因对叶片的影响类胡萝卜素在植物叶片中含量丰富，在叶绿素降解后由其控制叶片色彩，因此类胡萝卜素降解合成-紫罗兰酮的过程中，叶片的颜色和气味都会发生变化89-90。天然香料七叶兰（Pandanus amaryllifolius）中的-紫罗兰酮、-紫罗兰酮和-环柠檬醛等香气化合物，都是在 CCD 基因的调控下发生酶促反应生成85,91。CsCCD1 和 CsCCD4 参与裂解茶叶中的-胡萝卜素，生成茶叶中的主要香料之一的-紫罗兰酮，使茶叶更具香韵71,86。NtCCD1c可以特异性地裂解-胡萝卜素和番茄红素，分别产生-紫罗兰酮和假紫罗兰酮，同时 NtCCD1是类胡萝卜素含量的负调节因子，在烟草叶片中活性氧含量的调控中起着至关重要的作用92。3.2-紫罗兰酮合成相关基因对花朵的影响花香是植物最重要的特征之一，可以吸引和引导传粉者完成授粉，这对被子植物的受精至关重要3。现有研究已经确认，-紫罗兰酮是一种重要花香物质，在墨兰（Cymbidium sinense）的 6 个品种中测得的 50 种化合物中，-紫罗兰酮总体占比最高，为 0.37%-20.23%，而 CCD1 和 CCD4 是调节花朵中-紫罗兰酮形成的重要基因60,75,93。CCD1 基因在大马士革玫瑰、桂花中被证实负责 C13-正异戊二烯（如-紫罗兰酮、-大马士革酮和-紫罗兰酮）的积累，以及在体外试验中可以裂解多种类胡萝卜素94。OfCCD4 可以调控桂花花瓣中类胡萝卜素的裂解，从而控制花瓣颜色的深浅，同时影响-紫罗兰酮、二氢-紫罗兰酮等花香物质的积累74。CmCCD4a 可以抑制类胡萝卜素的积累从而使菊花呈现白色，其表达严格限于花瓣，在其他器官（如根、茎或叶）中未检测到95。3.3-紫罗兰酮合成相关基因对果实的影响-紫罗兰酮是水果中重要的香气化合物，迄今为止，在番茄、桃、李子（Prunus salicina）、草莓（Fragariaananassa）、枸 杞（Lycium chinense）、甜橙（Citrus sinensis）和葡萄中广泛研究96-105。研究表明桃的果实成熟过程中，-紫罗兰酮的合成在很大程度上是由酶促作用主导的，PpCCD1 和PpNCED1 的转录水平下降会导致类胡萝卜素积累增加，且 PpCCD4 也被证实可以决定桃子的果肉颜色106-108。在番茄果实中 SlNCED 的较低表达会导致类胡萝卜素积累增加，从而显示出深红色109。抑制柑橘 CCD1 基因的表达后，其外观色泽轻微变黄，同时紫黄质和9-顺式-紫黄质含量显著上升110。随着消费市场对水果品质要求的不断提升，作为果实的一种特色风味，怡人的香气是果品吸引消费者和增强市场竞争力的重要因素之一，通过基因工程技术改良果香将极大提高果实的经济价值111-112。4 基因工程技术在改良植物中-紫罗兰酮的应用作为-胡萝卜素的代谢产物，-紫罗兰酮的合成和积累依赖于合成途径中关键酶基因的转录水平，因此对天然-紫罗兰酮进行改良的最有效的基因工程技术手段，是关键酶基因的过表达或沉默以及异源表达。4.1 关键酶基因的过表达或沉默八氢番茄红素合酶（phytoene synthase,PSY）基因、八氢番茄红素去饱和酶（phytoene desaturase,PDS）基 因、-胡 萝 卜 素 去 饱 和 酶（-carotene desaturase,ZDS）基 因、番 茄 红 素-环 化 酶（lycopene-cyclase,LCYB）基因和紫黄质去环氧化酶（violaxanthin de-epoxidase,VDE）基因等都不是调生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.898节-紫罗兰酮合成的关键酶基因，其合成的关键酶基因为 ZEP、NCED1、CCD1 和 CCD474。在植物体内可以利用过表达关键酶基因或基因敲除、RNA干扰（RNA interference,RNAi）等手段沉默酶基因，从而改良植物中-紫罗兰酮的合成。穗红木瓜（Carica papaya cv.Sui hong）中 CpCCD1 的过表达可能刺激-胡萝卜素和番茄红素的降解，进而形成 6-甲基-5-庚烯-2-酮和-紫罗兰酮等特异性挥发物113。OfCCD4 在桂花中的高基因表达，促进类胡萝卜素在花瓣中裂解，使花色变浅（浅黄色），-紫罗兰酮含量升高，改变桂花花香和花色74。敲除欧洲油菜（Brassica napus）花瓣中 BnaC09.ZEP和 BnaA09.ZEP，可以引起其-胡萝卜素含量改变，影响-紫罗兰酮合成114。在番茄（Lycopersicon esculentum）果实中，沉默 LeCCD1A 和 LeCCD1B 可导致成熟果实中-紫罗兰酮的含量显著降低15。在牵牛花 AK77 栽培种（Ipomoea nil cv.AK77）以及菊 花（Chrysanthemum morifolium）中，利 用 RNAi技术或 CRISPR/Cas9 的基因敲除技术沉默 CCD4 基因，都可以使花瓣从白色变成淡黄色，说明类胡萝卜素裂解效率变低，从而导致-紫罗兰酮含量下降95,115。利用 RNAi 技术，降低靶基因 SlNCED8的表达，使转基因果实的 SlNCED1 转录水平下调，共同作用导致类胡萝卜素积累，-紫罗兰酮含量 下降109。4.2 关键酶基因的异源表达-紫罗兰酮的异源合成依赖于其前体-胡萝卜素的降解，利用源于植物的 CCDs 在大肠杆菌（Escherichia coli）和 酵 母 菌（Saccharomyces cerevisiae）中已经成功地进行了-紫罗兰酮的异源表 2 基因工程技术改良植物中-紫罗兰酮的应用Table 2 Application of-ionone in plants improvement by genetic engineering technology基因工程技术Genetic engineering technology物种名称Species基因Gene结果Result参考文献Reference基因过表达Gene overexpression木瓜 Carica papayaCpCCD1-胡萝卜素和番茄红素降解，进而形成 6-甲基-5-庚烯-2-酮和-紫罗兰酮等特异性挥发物113桂花 Osmanthus fragranOfCCD4