玫瑰花芳香族香气物质在高温胁迫下生物合成途径变化的研究

Recently biosynthesis of floral volatiles has attracted great interest of many researchers, because floral volatiles possess important ecological functions and potential economic applications. Current research on biosynthesis of plant secondary metabolites including floral volatiles are mostly based on the plants unexposed to stress in laboratory experiments. In nature, various abiotic and biotic stresses are involved in growth of plants. However, no information is available on the influences of environmental stresses on biosynthesis of floral volatiles. Our preliminary experiments proposed that rose flowers may produce volatiles such as aroma compounds (AC) via more than one pathway. Furthermore, temperature stresses may induce variation of upstream major pathway of AC. This research proposal will elucidate the putative upstream pathways of AC (the pathway of AC derived from L-phenylalanine via phenylpyruvic acid), which will be investigated in plants for the first time. The aromatic amino acid aminotransferase, which is involved in biosynthesis of AC, will be characterized. Moreover, this research proposal will emphasize investigating mechanism of variation of AC upstream major pathway induced by high temperature stresses. The results obtained within these studies will advance our understanding of biosynthesis and defense strategy of plant secondary metabolites such as volatiles, and also can be essential for the future developments of genetic engineering of aroma compounds of rose flowers.

植物花香因具有重要的生态学功能与潜在的应用价值，促使其生物合成途径的研究颇受注目。植物花香生物合成途径的研究大多基于无外界胁迫的植物中进行，然而在自然界中植物的生长过程遭受许多外界胁迫；而这些胁迫是否会诱导其花香生物合成途径的变化，至今尚未见报道。我们前期的研究表明玫瑰花并不是通过单一的合成途径生成芳香族香气物质（AC），且其主要合成途径可能受温度胁迫的影响而发生变化。本项目以玫瑰花为研究材料，采用同位素示踪、特异性抑制剂阻断路径、基于原生质体建立的RNA干涉等方法，研究在高温胁迫下植物中尚未知的AC上游合成途径(由L-苯丙氨酸经苯丙酮酸形成AC)，包括功能鉴定AC合成相关的芳香族氨基酸转氨酶等，旨在获得高温胁迫诱导AC合成路径变化的可靠证据。本项目有望揭示在高温胁迫下AC的新合成途径，为将来玫瑰花AC基因工程技术的开发与成功应用提供更充分的科学依据。

植物挥发性物质（包含香气物质等）因具有重要的生态学功能与潜在的应用价值，促使其生物合成途径的研究颇受注目。挥发性物质生物合成途径的研究大多基于无外界胁迫的植物中进行，然而在自然界中植物的生长过程遭受许多外界胁迫；而这些胁迫是否会诱导其挥发性物质生物合成途径的变化，至今尚不清楚。本项目以富含芳香族香气物质的玫瑰花为研究材料，采用稳定同位素示踪、抑制剂阻断路径、原核表达和瞬时植物表达等方法，研究了采后高温胁迫对玫瑰花芳香族香气物质生物合成的影响。取得的主要研究结果：切花玫瑰 (Rosa hybrida cv. Tineke) 分别在5°C、15°C和30°C条件下处理36 小时后，随着温度的升高，芳香族香气物质包括2-苯基乙醇、苯乙醛、苯甲醇、苯甲醛以及苯乙酸乙酯的含量也增加，但是3,5-二甲氧基甲苯的含量降低。稳定同位素L-[2H8]苯丙氨酸体内示踪实验结果表明，苯丙酮酸参与了2-苯基乙醇含量随着温度升高而增加的响应过程，且2-苯基乙醇的主要合成途径受温度胁迫的影响而发生变化。我们从玫瑰花中分离出了两条芳香族氨基酸转氨酶基因RhAAATs，并对其进行了体外原核表达的功能验证，结果表明两种RhAAATs均具有L-苯丙氨酸转氨酶的活性。在本氏烟草 (Nicotiana benthamiana) 中的体内功能验证结果表明，定位于胞质的RhAAAT2能够催化L-苯丙氨酸生成苯丙酮酸。为了进一步探索高温改变2-苯基乙醇的合成流是否是玫瑰花中特有存在的现象还是其他植物共有的现象，选择了其他含有2-苯基乙醇的植物例如茶叶作为研究材料，发现高温也能改变茶叶中2-苯基乙醇的合成流，且在高温条件下均是苯丙酮酸至2-苯基乙醇的路径的代谢流上调，此现象与玫瑰花中的发现一致。由此表明高温改变2-苯基乙醇的合成流可能在植物中是存在的共有现象。本项目结果有助于提高我们对在高温胁迫下芳香族香气物质的合成途径，为将来芳香族香气物质基因工程技术的开发与成功应用提供更充分的科学依据。