唐美琼　赵以民　胡营

摘要：香叶基香叶基焦磷酸合酶（GGPPS）是植物萜类物质合成的一个重要调节靶点。目前已经在多种植物中开展了该基因的克隆和功能分析。对GGPPS基因及蛋白结构和生物学功能的最新研究进展进行了综述，为其在植物遗传育种方面的应用提供参考。

关键词：GGPPS；基因；研究进展

中图分类号：Q943.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）19-3601-02

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.19.001

Abstract： Geranylgeranyl pyrophosphate synthase（GGPPS） is an important target site for regulating isoprenoids biosynthesis in plant cells. Cloning and functional analysis of this gene has been carried out in many plants. The gene structures and biological function of GGPPS were reviewed to provide a basis for plant breeding.

Key words： GGPPS； gene； research progress

香叶基香叶基焦磷酸合酶（Geranylgeranyl pyrophosphate synthase，GGPPS），又称牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶，催化法尼基焦磷酸和异物烯基焦磷酸缩合生成香叶基香叶基焦磷酸，而后参与类胡萝卜素、赤霉素、萜类化合物等物质的合成，是植物初生和次生代谢途径中的关键酶之一[1]。迄今，有多种植物的GGPPS已经被深入研究并取得了很大的进展，但关于GGPPS基因及蛋白结构和生物学功能方面的系统性报道较少。因此，本研究通过文献报道结合本实验室的工作對GGPPS基因及蛋白结构和生物学功能研究进行综述，以期为其在植物育种方面的应用提供参考。

1 GGPPS基因及蛋白结构

迄今已在拟南芥[2]、丹参[3]、银杏[4]、番茄[5]、辣椒[6]、长春花[7]、野甘草[1]等多种植物中克隆到GGPPS基因。各植物的同源序列显示出较高的一致性，核苷酸水平上序列间的一致性在60%左右，氨基酸水平上序列间的一致性在75%左右。GGPPS在许多植物中是一个小的基因家族，如拟南芥的AtGGPPS可编码定位于叶绿体、内质网、线粒体的5个同工酶和1个相关蛋白；丹参中发现3条具有特异时空表达的GGPPS基因[8]。GGPPS基因的编码区序列长1.0～1.4 kb，多数GGPPS基因含有1个内含子序列。系统进化分析表明，植物GGPPS基因的分子进化树分为被子植物和裸子植物两大类。

依据已报道的核酸序列编码的氨基酸序列，GGPPS合酶具有异戊烯基转移酶的特征性天门冬氨酸富集区FARM（First aspartate rich motif）及SARM（Second aspartate rich motif），特征序列为“DDxx（xx）D”（“D”代表天门冬氨酸，“x”代表任意氨基酸），这2个特征区域位于GGPPS疏水空腔的中央，是底物结合和催化的关键位点[6，9]。GGPPS蛋白主要由螺旋和不规则卷曲组成。闵丹丹等[10]从三七中克隆出一条GGPPS基因序列，对其编码的氨基酸进行分析后发现，该蛋白序列具有典型的异戊烯基焦磷酸合酶结构域，但其特征序列SARM区为“DDVLE”，最后一位为谷氨酸（E），不同于一般植物的天门冬氨酸（D），这种差异可能与其物种特异性的酶活性特征、分子功能和生物学作用有关。

2 GGPPS基因的生物学功能

植物不同细胞器中GGPPS编码蛋白可能通过特定的GGPPS合成途径而表现不同的作用。以目前了解最多的双子叶植物拟南芥为例，GGPPS1和GGPPS3蛋白定位于叶绿体，主要负责合成叶绿素、类胡萝卜素、赤霉素所需的前体GGPP；GGPPS2和GGPPS4蛋白在内质网提供质体醌侧链；GGPPS6蛋白提供线粒体中泛醌侧链前体。即使蛋白的亚细胞定位一样，GGPP合酶仍具有时空组织表达特异性[11]。

2.1 参与植物的生长发育

植物的生长发育过程既需要有机物质和无机物质作为细胞生命活动的结构物质和营养物质，也需要植物生长物质的调节。GGPP参与叶绿素、类胡萝卜素、赤霉素等产物的合成，对植物的光合作用、生长发育和产品品质等有重要影响。从西瓜中克隆获得的GGPPS在红、粉、黄、白4种不同瓤色品种西瓜果实发育过程中的表达不同，在红瓤西瓜中的表达量最高，白瓤西瓜中最低，认为可能对西瓜果实中类胡萝卜素的积累有重要影响[12]。过表达枸杞中LcGGPS2可以提高植物中类胡萝卜素含量，并可以提高植物对UV-BF辐射的耐受性[13]。将番茄LeGGPPS2基因转入烟草，能增强弱光下烟草的光合性能，促进次生代谢产物向根中积累[14]。张蕾[15]通过酵母互补试验确证了丹参中GGPS1的生化功能，推测GGPS1在丹参中的主要作用之一是合成叶绿素和类胡萝卜素，而不参与赤霉素和丹参酮类物质的合成。Zhu等[16]发现在植物Gentiana lutea中的GGPPS特异性表达于花期，且随着花瓣的发育，其活性逐渐降低。

2.2 参与植物药用活性成分生物合成

已知的以GGPP为前体的具有药用价值的化合物有紫杉醇、银杏酚、丹参酮等。通过培养Taxus baccata悬浮细胞培养体系发现，GGPPS的表达受茉莉酸甲酯诱导，且随着GGPPS活性的提高，紫杉烷在细胞中快速积累，证实GGPPS是决定红豆杉合成紫杉醇类物质的关键酶[17，18]。Engels等[19]采用合成生物学的手段将紫杉烯合酶转入宿主菌酿酒酵母中，引入GGPP合酶的同工酶以提高宿主菌中紫杉二烯前体GGPP的合成量，同时抑制宿主菌中类固醇竞争途径，获得了高表达紫杉烯的工程菌。Dai等[20]通过在酵母细胞中快速组装丹参酮二烯生物合成途径，对编码SmCPS、SmKSL、法尼基焦磷酸合酶、GGPP合酶和甲羟戊酸还原酶等5个蛋白的基因进行操作，最优工程菌经发酵培养后次丹参酮二烯产量达到365 mg/L。endprint

3 问题与展望

随着植物分子生物学的不断发展，越来越多植物中GGPPS基因被克隆，对GGPPS基因的功能也有了更多的了解，但仍然存在一定的不足。如大部分GGPPS基因的功能处于推测阶段，缺乏直接的证据，并且大多功能鉴定实验都是在实验室内进行，这对不同实验条件下（大田、室内）鉴定的功能强弱可能也不同。GGPP作为赤霉素、类胡萝卜素、二萜类化合物等诸多化合物共同前体，在植物中具有重要作用， 对代谢分支点GGPPS合酶的深入研究可以了解植物中相关化合物的碳硫分配情况，对GGPPS基因的功能和作用机制进行解析，可以为植物的遗传改良育种提供基因资源。

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