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ＣｈｉｎｅｓｅＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＢｕｌｌｅｔｉｎＶｏｌ．２３Ｎｏ．１１２００７Ｎｏｖｅｍｂｅｒ

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的表达和调控以及各种代谢酶的结构和功能的认识更为清晰。笔者主要介绍近年来高等植物类胡萝卜素生物合成途径及其调控的分子生物学研究进展，以及植物类胡萝卜素基因工程所取得的研究成果和应用前景。

１高等植物类胡萝卜素生物合成途径

１．１异戊二烯焦磷酸（ＩＰＰ）生物合成

类胡萝卜素是由类异戊二烯聚合而成的萜类化合物，其生物合成的前体是含有Ｃ５的异戊二烯焦磷酸（ＩＰＰ）。细胞中ＩＰＰ的合成是区室化的，甲羟戊酸（ｍｅｖａｌｏｎｉｃａｃｉｄ，ＭＶＡ）途径在胞质和内质网活跃进行，而甲基赤藓糖醇（ｍｅｔｈｙｌｅｒｙｔｈｒｉｔｏｌｐｈｏｓｐｈａｔｅ，ＭＥＰ）途径则存在于质体中。高等植物、绿藻和细菌中，ＩＰＰ是通过ＭＥＰ途径形成的［１５，１６］，即首先由１－脱氧木酮糖－５－磷酸合酶（ＤＸＰＳ）催化３－磷酸甘油醛（ＧＡ－３－Ｐ）和丙酮酸（Ｐｙｒｕｖａｔｅ）缩合形成１－脱氧木酮糖－５－磷酸（ＤＸＰ），再由１－脱氧木酮糖－５－磷酸还原异构酶（ＤＸＲ）催化生成２－Ｃ－甲基－Ｄ－赤藓糖醇－４－磷酸（ＭＥＰ），然后依次通过２－Ｃ－甲基－Ｄ－赤藓糖醇－４－磷酸胞苷转移酶（ＭＣＴ）、２－Ｃ－甲基－Ｄ－赤藓糖醇－４－胞苷二磷酸激酶（ＭＣＫ）、２－Ｃ－甲基－Ｄ－赤藓糖醇－２，４－环焦磷酸合酶（ＭＣＳ）、１－羟基－２－甲基－２－丁烯基－４－磷酸合酶（ＨＤＳ）、ＩＰＰ／ＤＭＡＰＰ合酶（ＩＤＳ）五个酶的催化，将ＭＥＰ转化为ＩＰＰ和二甲基丙烯基焦磷酸（ＤＭＡＰＰ）（图１）。

１．２八氢番茄红素（Ｐｈｙｔｏｅｎｅ）生物合成

ＩＰＰ是类胡萝卜素生物合成的前体。ＩＰＰ在ＩＰＰ异构酶（ＩＰＰＩ）作用下，异构化生成ＤＭＡＰＰ，然后在牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶（ＧＧＰＳ）催化下，ＤＭＡＰＰ与３个ＩＰＰ分子缩合而生成含Ｃ２０的牻牛儿基牻牛

［１９］

儿基焦磷酸（ＧＧＰＰ）。两分子的ＧＧＰＰ由八氢番茄红素合成酶（ｐｈｙｔｏｅｎｅｓｙｎｔｈａｓｅ，ＰＳＹ）催化形成第一个Ｃ４０的类胡萝卜素———八氢番茄红素（ｐｈｙｔｏｅｎｅ）。在许多植物中，ＰＳＹ是由多个基因编码的，其表达具有器官或质体特异性［２０￣２２］。番茄中有２个ＰＳＹ基因，其中Ｐｓｙ－１在花和果实中特异性表达，控制番茄果实成熟过程中的ＰＳＹ，Ｐｓｙ－２则主要在叶片中表达，控制绿色组织（包括成熟后仍表现为绿色的番茄果实）中ＰＳＹ［２３，２４］。ＰＳＹ是植物中类胡萝卜素生物合成的一个限速酶，其编码基因为植物类胡萝卜素遗传工程中的首选目的基因［２３，２５］。

１．３番茄红素（Ｌｙｃｏｐｅｎｅ）生物合成

植物体内由八氢番茄红素（ｐｈｙｔｏｅｎｅ）合成番茄红素（ｌｙｃｏｐｅｎｅ）是由八氢番茄红素脱氢酶（ＰＤＳ）、ζ－胡萝

（ＣＲＴＩＳＯ）３卜素脱氢酶（ＺＤＳ）和类胡萝卜素异构酶

个酶共同催化。这３个酶的催化产物分别是是９，９＇－二顺式－ζ－胡萝卜素（９，９＇－ｄｉ－ｃｉｓ－ζ－ｃａｒｏｔｅｎｅ）、７，９，７＇，９＇－四顺式－番茄红素（７，９，７＇，９＇－ｔｅｔｒａ－ｃｉｓ－ｌｙｃｏｐｅｎｅ）和全反式番茄红素（ａｌｌ－ｔｒａｎｓ－ｌｙｃｏｐｅｎｅ），全反式番茄红素是类胡萝

细菌中的八氢番卜素进一步环化衍生的首选底物［１２，１３］。

茄红素脱氢酶（ＣｒｔＩ）可催化番茄红素直接生成全反式番茄红素［２６］。因此，在植物基因工程中，可以用细菌

ＣｒｔＩ基因替代植物ＰＤＳ、ＺＤＳ和ＣＲＴＩＳＯ３个基因，而且由于细菌ＣｒｔＩ基因与高等植物ＰＤＳ基因仅有约３５％的同源性，因此可减少在转基因植物中经常出现的共抑制（ｃｏ－ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ）现象［２６，２７］。

１．４胡萝卜素（Ｃａｒｏｔｅｎｅ）生物合成

番茄红素环化是植物体内类胡萝卜素生物合成途径的一个重要分枝点，由番茄红素β－环化酶（ＬＹＣＢ）和番茄红素ε－环化酶（ＬＹＣＥ）共同催化［２８］。在β，β分枝，ＬＹＣＢ通过两步催化反应在番茄红素的两个末端各形成一个β－环，使番茄红素先转化为γ－胡萝卜素，继而生成β－胡萝卜素；在β，ε分枝，番茄红素先在ＬＹＣＥ催化下，在其一端形成ε－环，生成δ－胡萝卜素，继而在ＬＹＣＢ催化下，在其另一端形成β－环，生成α－胡萝卜素。此外，莴苣中存在一种功能特殊的ＬＹＣＥ，－环，生成ε－胡可以催化番茄红素两个末端均形成ε

萝卜素［２９］。最近，在蓝细菌ＰｒｏｃｈｌｏｒｏｃｏｃｃｕｓｍａｒｉｎｕｓＭＥＤ４中分离鉴定了一种新的环化酶，具有催化形成β－环和ε－环的双重功能，使番茄红素生成α－胡萝卜素［３０］。但是，在高等植物中，α－胡萝卜素的生成仍需ＬＹＣＢ和ＬＹＣＥ共同催化。

１．５叶黄素（Ｘａｎｔｈｏｐｈｙｌｌｓ）生物合成

叶黄素是α－和β－胡萝卜素进一步由酶催化形成的含氧类胡萝卜素，其显着特征就是含有羟基基团或环氧基团。胡萝卜素的β－环和ε－环羟基化是分别由β－环羟化酶（ＢＣＨ）和ε－环羟化酶（ＥＣＨ）催化的［３１］。β，ε分枝的α－胡萝卜素在ＢＣＨ和ＥＣＨ共同作用下生成

［３２］

叶黄体素（ｌｕｔｅｉｎ）；而β，β分枝的β－胡萝卜素在ＢＣＨ作用下转变为β－隐黄质（β－ｃｒｙｐｔｏｘａｎｔｈｉｎ），进而

［２７］

生成玉米黄质（ｚｅａｘａｎｔｈｉｎ）。叶黄体素是β，ε分枝的终产物，而玉米黄质在玉米黄质环氧化酶（ＺＥＰ）作用下生成花药黄质（ａｎｔｈｅｒａｘａｎｔｈｉｎ），进而生成堇菜黄质

［２７］

（ｖｉｏｌａｘａｎｔｈｉｎ）。在强光胁迫下，堇菜黄质脱环氧化酶（ＶＤＥ）催化堇菜黄质转化为花药黄质，后者再转化为玉米黄质［３３］。堇菜黄质在新黄质合成酶（ＮＸＳ）的催化

［３４］下可转化为新黄质（ｎｅｏｘａｎｔｈｉｎ），新黄质是高等植物

类胡萝卜素生物合成β，β分枝的终产物。此外，辣椒