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本文聚焦植物挥发性有机化合物（VOCs）生物合成，着重介绍苯甲醛、单萜类化合物合成进展。阐述了其合成途径、关键酶及相关基因的发现，还探讨了研究中存在的问题与未来方向，对理解植物生态及相关产业发展有重要意义。
植物挥发性有机化合物（VOCs）概述
植物产生的挥发性有机化合物（VOCs）在生态系统中发挥着重要作用，如参与植物间通讯、吸引传粉者、抵御食草动物侵害等，部分 VOCs 还具有显著的经济和药用价值，像单萜类化合物中的芳樟醇、香叶醇等，它们不仅气味独特，还具有潜在的抗癌等生理活性，在食品、化妆品和制药领域应用广泛。VOCs 涵盖萜类、苯丙烷类、氨基酸衍生物和脂肪酸衍生化合物等多种化学类别。随着基因组学、转录组学和代谢组学技术的发展，人们在 VOCs 生物合成基因的研究方面取得了重要进展，本文将着重探讨苯丙烷类 / 苯丙素类和单萜类这两类 VOCs 生物合成的最新研究成果。
苯甲醛的生物合成
苯丙烷类和苯丙素类是植物中第二大类 VOCs，广泛存在于玫瑰、矮牵牛等芳香植物中。苯甲醛作为最简单的挥发性芳香醛，在植物生态和工业领域都有重要作用，它能吸引传粉者，还在食品调味、香料和化妆品行业广泛应用，同时是染料和塑料生产的关键前体物质。
长期以来，苯甲醛的生物合成被认为存在多种潜在途径，主要包括非 β- 氧化途径和 β- 氧化途径，且这两条途径都以 L - 苯丙氨酸为起始前体，L - 苯丙氨酸在苯丙氨酸解氨酶（PAL）作用下转化为反式肉桂酸，反式肉桂酸后续在不同酶的催化下，可分别进入不同的反应分支，生成多种苯丙烷类衍生物。
在非 β- 氧化途径中，从反式肉桂酸生成苯甲醛存在多种可能机制。一种假设是由一种未知的双加氧酶直接裂解碳 - 碳双键，但该酶的编码基因尚未确定；另一种可能是反式肉桂酸先水化生成 3 - 羟基 - 3 - 苯基丙酸，再经水合酶 / 裂解酶作用产生苯甲醛和乙酸，不过相应基因也未被报道。此外，在黄瓜中虽鉴定出了一些可能参与苯甲醛合成的酶，但相关结果还需在植物体内进一步验证。
β- 氧化途径则发生在过氧化物酶体中，2022 年，研究人员通过传统生化方法，包括体内稳定同位素标记和蛋白质组学技术，鉴定出矮牵牛中一种由 α 和 β 亚基组成的异二聚体酶 PhBS，它在过氧化物酶体中通过 β- 氧化途径催化苯甲醛的合成，两个亚基单独存在时无催化活性，结合后才具有活性，且对苯甲酰辅酶 A 具有严格的底物特异性，并以 NADPH 为辅因子。研究还发现，苯甲醛合成酶（BS）在植物界广泛存在，但该机制是否普遍存在于所有植物，以及在不同植物中哪种途径占主导地位等问题仍有待研究。
萜类化合物的生物合成
萜类化合物是植物中最大类的 VOCs，在植物生态和多个产业中都具有重要意义。它参与植物间的信号传递，吸引传粉者和种子传播者，保护植物免受病原体、寄生虫和食草动物的侵害，同时也是制药、香料和农业杀虫剂的重要原料，甚至可作为潜在的航空可再生燃料。
萜类化合物的生物合成主要通过两条途径：质体中的 2-C - 甲基 - D - 赤藓糖醇 - 4 - 磷酸（MEP）途径和分布在细胞质、内质网和过氧化物酶体中的甲羟戊酸（MVA）途径。MEP 途径以丙酮酸和甘油醛 - 3 - 磷酸（GA-3P）为底物，在一系列酶的催化下，最终生成异戊烯基焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）；MVA 途径则以乙酰辅酶 A 为起始底物，经过多步反应也生成 IPP 和 DMAPP。IPP 和 DMAPP 是合成各种萜类化合物的基本单元，它们可进一步合成香叶基焦磷酸（GPP）、法呢基焦磷酸（FPP）等不同的焦磷酸酯前体，进而合成不同长度的萜类化合物。传统观点认为，单萜类化合物源于质体中的 GPP，通过 MEP 途径合成；倍半萜类化合物则来自细胞质中的 FPP，经 MVA 途径产生，但实际上这两条途径之间存在中间产物的交换和调控相互作用，具体机制尚不清楚。近年来，研究发现了细胞质中的 GPP 库及其生物合成相关基因，以及通过磷酸酶介导的非经典单萜合成途径，下面将重点介绍单萜生物合成的非经典途径。
单萜生物合成的经典与非经典途径
单萜类化合物如香叶醇的合成至少存在两种物种特异性途径：经典途径和非经典途径，两条途径都以 GPP 或类似的焦磷酸酯前体为底物。
在经典途径中，单萜合酶可通过一步反应将 GPP 转化为香叶醇，例如甜罗勒中的香叶醇合酶（GES），它能特异性地将 GPP 转化为香叶醇，该途径在多种植物中广泛存在。在药用植物艾纳香中，研究人员鉴定出了多种单萜合酶，它们可将 GPP 转化为不同的单萜类化合物，这些单萜合酶对 GPP 具有特异性，这为利用合成生物学方法生产高纯度的特定单萜提供了可能，但它们是否能利用其他焦磷酸酯前体以及相关的酶动力学仍有待研究。
然而，在玫瑰中，由于缺乏参与经典香叶醇生物合成途径的萜烯合酶样 GES，表明玫瑰中存在非经典的香叶醇合成途径。玫瑰中香叶醇的生物合成涉及多个关键酶促步骤，首先是在 “老玫瑰”（Rosa chinensis “Old Blush”）中鉴定出的细胞质双功能香叶基 / 法呢基焦磷酸合酶（RcG/FPPS1），它具有 FPPS 和 GPPS 活性，可产生 MVA 途径来源的 GPP；接着，细胞质中的 Nudix 家族二磷酸水解酶 RhNUDX1-1a 将 GPP 水解为香叶基单磷酸（GP），随后由一种未鉴定的磷酸酶将 GP 转化为香叶醇。研究发现，RhNUDX1-1a 由古老的 RhNUDX1-1b 进化而来，其基因复制与玫瑰中香叶醇的释放量增加呈正相关。此外，Nudix 蛋白在植物中广泛存在，不同植物中的 Nudix 蛋白对不同的前体底物具有不同的水解活性，这表明非经典的单萜生物合成途径在植物中可能比之前认为的更为普遍，可能存在于细胞质、质体或两者中，有待进一步深入研究。
单萜生物合成的下游途径
以 GPP 为起始物质，在不同酶的作用下，可产生多种下游单萜类化合物，如香茅醇、柠檬醛、冰片、百里酚等。
香茅醇和柠檬醛
对不同玫瑰品种的基因组和代谢组分析发现，NUDX1-1a 的拷贝数会影响香茅醇的含量。玫瑰中从香叶醇转化为香茅醇需经过三步反应：首先香叶醇在玫瑰肉桂醇脱氢酶（RrCADs）的作用下氧化为香叶醛（柠檬醛的一种对映体），然后香叶醛在香叶醛还原酶（RrGERs）的催化下还原为香茅醛，最后香茅醛再由 RrCADs 还原为香茅醇。类似的转化过程也在天竺葵属植物和兰花中被报道。此外，在柠檬醛的生物合成方面，在樟科植物山苍子中，发现了一个特定的生物合成基因簇，包含两个醇脱氢酶 LcADH28 和 LcADH29，分别催化香叶醇和橙花醇转化为香叶醛和橙花醛；在柠檬草中，鉴定出的醇脱氢酶 CfADH1 和醛酮还原酶 CfAKR2b 都能催化香叶醇转化为柠檬醛，这些研究解释了柠檬草中柠檬醛高产的机制。
冰片
植物基因组进化研究发现，全基因组复制（WGD）事件在植物挥发性萜类化合物的产生中起到重要作用，如在艾草中，WGD 使 TPS 基因扩增，从而产生多种挥发性萜类化合物，包括冰片和樟脑。在姜科植物中，对长舌吴萸（Wurfbainia longiligularis）的染色体水平基因组分析，从遗传角度解释了其与吴萸（W. villosa）相比，与冰片基焦磷酸（BPP）相关萜类化合物分布更广的原因，发现姜科单子叶植物特有的冰片基焦磷酸合酶（BPPS）负责合成 BPP 相关的挥发性化合物。在大多数植物中，质体中的 GPPS 通过 MEP 途径产生单萜前体 GPP，BPPS 也位于质体中，负责催化 BPP 的形成，用于合成冰片、樟脑等化合物。然而，吴萸中的 Nudix 水解酶 WvNUDX24 主要定位于细胞质和细胞核，它可将 BPP 水解为冰片基单磷酸（BP），这表明吴萸中存在非经典的冰片生物合成途径，但从 BP 到冰片的最终转化步骤以及是否存在 BPP 从质体到细胞质的转运体或细胞质 BPP 库仍有待确定。
百里氢醌
百里酚、香芹酚和百里氢醌是百里香、牛至等唇形科植物中的风味化合物，具有抗菌、抗痉挛和抗肿瘤等特性。通过同源性技术、转录组和代谢物联合分析以及生化酶活性测定，阐明了这些化合物的生物合成途径，即从 GPP 转化为 γ- 萜品烯开始，经过 P450 单加氧酶（CYP71Ds）和短链脱氢酶 1（SDR1）的作用，形成百里酚和香芹酚的芳香骨架，再由另外两种 P450 酶（CYP76S40 和 CYP736A300）将百里酚和香芹酚羟基化，生成百里氢醌。不过，从百里氢醌到百里醌的转化是否存在酶促反应尚不清楚。
异蒲勒酮
薄荷科荆芥亚科植物富含挥发性单萜类化合物，如药用植物裂叶荆芥（Schizonepeta tenuifolia）和长叶薄荷（Mentha longifolia），它们可将 GPP 转化为柠檬烯、异蒲勒酮和蒲勒酮等中间产物，最终生成薄荷醇，其中蒲勒酮是含量最丰富的单萜。虽然长叶薄荷中从 GPP 合成薄荷醇的所有基因都已明确，但裂叶荆芥中负责将异蒲勒酮转化为蒲勒酮的异蒲勒酮异构酶尚未鉴定出来。借助裂叶荆芥的染色体水平基因组和单萜相关的二分生物合成基因簇（BGC），研究人员发现了缺失的异胡薄荷酮还原酶（IPR），且该酶属于与薄荷 IPR 不同的酶家族。系统发育基因组分析表明，这个二分 BGC 是裂叶荆芥谱系特有的反向重复产生的，这凸显了 BGC 在单萜生物合成基因发现中的潜力。
长叶醛
猫薄荷（Nepeta spp.）因含有不规则单萜荆芥内酯而具有吸引猫和驱赶昆虫的特性，虽然荆芥内酯的形成机制已较为清楚，但对其衍生物长叶醛和 teucrein 的生物合成途径仍知之甚少。通过对产生环烯醚萜的植物 Teucrium marum 的染色体水平基因组组装，研究人员鉴定出了与环烯醚萜相关的基因，发现环烯醚萜氧化酶（IO）和乙酰转移酶（AcT）可共同作用产生多种环烯醚萜，包括长叶醛，这部分阐明了长叶醛的生物合成途径。
结论与展望
本文重点回顾了苯丙烷类 / 苯丙素类挥发性化合物（特别是苯甲醛）和单萜类化合物生物合成的最新研究进展。直到 2022 年，矮牵牛中过氧化物酶体酶 PhBS 的发现才部分填补了苯甲醛完整生物合成途径的空白；在单萜类化合物方面，玫瑰中双功能酶 RcG/FPPS1 的发现，增进了人们对细胞质 GPP 产生机制的理解，同时也对香叶醇、香茅醇、柠檬醛等下游单萜的生物合成进行了探讨。
全基因组复制（WGD）事件增加了许多植物基因组的复杂性，多组学技术有助于高效识别挥发性化合物生物合成的关键基因，而经典生化方法在某些情况下依然具有重要价值。此外，生成染色体水平的基因组数据、探索生物合成基因簇以及结合全基因组关联研究（GWAS）和其他组学技术等方法，也能有效揭示未知的挥发性化合物生物合成基因。尽管在过去几十年里，植物挥发性化合物生物合成的研究取得了显著进展，但仍有许多途径有待探索。新兴技术如 AlphaFold 3、单细胞转录组学、空间转录组学、空间蛋白质组学、空间代谢组学和挥发性代谢组学等，有望提升基因发现能力。未来，原位空间代谢组学和转录组学以及亚细胞组学的发展，可能会在挥发性化合物生物合成途径的鉴定上取得突破，例如 AlphaFold 3 可用于预测候选蛋白质与 VOC 分子之间的相互作用，帮助完善生物合成途径候选基因列表；原位空间代谢组学和转录组学在植物研究中的应用，将有助于详细分析特定组织或细胞区室中的基因表达和代谢物水平，从而促进新的 VOC 生物合成相关基因的发现。
