综述：自然的实验室：以苯丙素类化合物为例探讨植物代谢工程方法

这篇综述系统阐述了植物代谢工程策略在苯丙素类化合物（phenylpropanoids）生产中的应用，重点探讨了克服限速步骤（如PAL酶调控）、减少中间产物流失（如CRISPR/Cas9靶向编辑）、代谢区室化（如UGT介导的糖基化）等关键技术，并强调了植物-微生物跨学科研究对创新生物合成途径的潜力。

　　

植物代谢产物的潜力

生物体的代谢组包含维持生命所需的初级代谢物（如氨基酸、核苷酸）和参与生态互作的次生代谢物（如苯丙素类）。后者因其结构多样性和生物活性，在医药（如吗啡、紫杉醇）、农业（如除虫菊酯）、化妆品（如白藜芦醇）等领域具有重要价值。然而，植物中目标化合物含量低（如1g地高辛需4kg毛地黄叶片）及提取纯化困难，促使研究者转向代谢工程策略。

聚焦苯丙素类代谢

苯丙素类以苯环-C₃侧链为核心结构，通过苯丙氨酸解氨酶（PAL）启动合成，形成香豆酸、咖啡酰辅酶A等中间体，最终衍生出木质素、黄酮、香豆素等产物。该通路具有物种特异性（如辣椒素仅存在于辣椒属）和环境响应性（如UV辐射诱导黄酮积累）。表1列举了代表性苯丙素类的功能与应用，如阿魏酸的抗氧化性和松脂醇的根系发育调控作用。

代谢工程策略全景

克服限速步骤

PAL是苯丙素合成的限速酶。过表达Phaseolus vulgaris PAL2使烟草中香豆酸积累，而SbPALs在黄芩毛状根中提升黄酮苷含量。另通过敲除泛素化调控因子KFB，拟南芥PAL活性提升2.5倍。

减少碳流损失

通过CRISPR/Cas9同时靶向大豆黄酮合成酶（IFS、FNSII），使异黄酮产量翻倍。类似地，抑制UGT糖基化可增加游离苷元浓度，增强植物抗虫性。

毒性代谢物管理

肉桂酸积累会抑制生长素运输，而UGT79B2/B3过表达通过反馈调节使花青素水平提升40倍。液泡区室化（如木质素寡聚体存储）和转运蛋白（如ChPLT3）是缓解毒性的关键机制。

代谢酶超分子组装

C4H与C3'H、4CL等形成内质网代谢酶簇，MSBP1支架蛋白介导其空间定位。合成生物学中，人工支架使甲羟戊酸产量提高77倍，但植物代谢酶簇重构仍具挑战性。

转录因子调控

MYB12在番茄果实特异性表达使酚类物质占干重10%，而NAC17过表达使葡萄细胞花色素苷积累3.5倍。抑制性转录因子（如bZIP2）的敲除可提升迷迭香酸产量67%。

诱导子应用

紫外线使芸薹属槲皮素含量增加，而真菌提取物使贯叶连翘金丝桃素产量提升6倍。茉莉酸甲酯处理树莓可同步提高总酚类与花色苷含量。

创新前体供应

过表达反馈不敏感型DAHPS和ADT使芳香族氨基酸增产，而质体苯丙氨酸转运体（PhpCAT）突变体显著改变花香挥发物组成。

未来展望

植物作为"绿色工厂"的优势在于其自养特性和复杂代谢网络，但需结合微生物的高通量筛选优势（如大肠杆菌生物传感器优化4CL酶）。跨物种策略如蓝藻-植物共培养体系，可实现前体定向输送，为可持续生产高价值化合物开辟新径。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献支持结论）