综述：从通路到产物——加拿大在植物专化代谢领域的成就

本综述系统总结了加拿大在植物专化代谢领域三十年的研究成就，重点聚焦于生物碱（BIAs、MIAs）、萜类（Taxol?、artemisinin）及酚类（cannabinoids、flavonoids）化合物的生物合成通路解析、酶功能表征及异源生产（酵母、细菌、微藻）技术突破，凸显了加拿大在植物生物化学与合成生物学领域的全球领导地位及人才培养贡献。

　　

摘要

加拿大在植物生物化学领域作出重要贡献，众多研究者致力于解析植物专化代谢物的生物合成通路，并在细菌、酵母或其他植物物种等异源系统中生产这些化合物。本综述旨在重点介绍过去三十年间加拿大在该领域的研究优势，涵盖生物碱、萜类和酚类化合物等领域在通路解析、酶表征以及异源系统中酶和代谢物生产的进展。加拿大研究者不仅取得关键科学发现，还通过指导新一代首席研究员（PI）确保科学卓越性的延续。这些进展值得认可和财政支持，以保留未来人才并维持加拿大在全球科学进展中的领导地位。

1. 引言

植物合成多种代谢物以保护自身免受草食动物、病原体和寄生虫侵害，或吸引传粉者。人类利用植物作为食物和燃料，并开发植物专化代谢物用于药物、化妆品和营养补充剂。具有药物特性的植物代谢物的一个著名例子是Taxol?（通用名paclitaxel），一种二萜，1967年从北美树木太平洋紫杉（Taxus brevifolia）的树皮提取物中发现。Paclitaxel于1992年首次获美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于治疗卵巢癌，现亦用于治疗乳腺癌、非小细胞肺癌和卡波西肉瘤。另一例子是辣椒素（trans-8-methyl-N-vanillyl-6-nonenamide），一种来自美洲本土辣椒（Capsicum spp.）的酚类生物碱，通过引起口腔黏膜灼烧感为食物带来辣味。除了在美食中的作用，该化合物还用于医学，并已获FDA和欧洲药品管理局批准用于止痛。这两种代谢物均具有生物相关性：paclitaxel在太平洋紫杉中抵抗寄生虫和真菌攻击，而辣椒素则驱避哺乳类草食动物。

在加拿大，若干研究组致力于解析植物如何生产具有价值的专化代谢物。例如，2013年，一项多实验室合作完成了20种具有药用重要性的植物物种的转录组测序、从头组装和注释，从而能够鉴定包括缬草酸、苄基异喹啉生物碱（BIAs）和聚酮化合物金丝桃素在内的专化代谢物生物合成通路中的基因。Scopus的快速检索显示，在2019年至2024年上半年间，加拿大位列发表植物代谢解析和植物代谢工程研究的前10个国家之一，加拿大研究者贡献了全球发表的4538篇研究和综述文章中的142篇。

本综述概述了加拿大各地活跃于植物专化代谢领域的首席研究员（PI）所领导的进展。由于篇幅限制，我们聚焦于研究重心为植物生物碱、萜类和酚类化合物（不包括植物激素）的通路解析和/或生物工程的PI。若无意中遗漏了任何PI，我们深表歉意；我们的意图并非冒犯，而是为了凸显加拿大研究者的重要贡献。我们已尽力囊括所有人，并恳请告知任何遗漏，以便在未来的修订中纳入。此外，我们列出了过去5年内在该领域至少发表3篇出版物的研究者。将描述过去30年该领域的重大突破，以及用于在异源系统中生产植物专化代谢物的合成生物学创新。

2. 生物碱研究

生物碱源自氨基酸如苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸，是最大的专化代谢物类别之一。此类包括具有神经活性的咖啡因（caffeine）、抗肿瘤药物长春碱（vinblastine）和长春新碱（vincristine）、抗痛风药秋水仙碱（colchicine）以及乙酰胆碱酯酶抑制剂加兰他敏（galanthamine）。

加拿大研究团队显著推进了对单萜吲哚生物碱（MIAs）和苄基异喹啉生物碱（BIAs）的理解。他们的工作突出了参与生物合成的酶、植物防御作用、生物活性、药用潜力及异源生产方法。国际努力促进了MIA通路的解析，数篇综述提供了全面见解。

与此同时，在加拿大，BIA研究主要集中于罂粟物种和石蒜科（Amaryllidaceae）。全球研究主要调查罂粟（Papaver somniferum）的生物碱，但也研究了其他目物种，在基因发现、表达和蛋白质表征方面取得进展。

本节综述了Vincenzo De Luca教授和Yang Qu教授在MIA代谢方面的进展，Peter Facchini教授和Vincent J.J. Martin教授在罂粟生物碱方面的贡献，Isabel Desgagné-Penix教授在石蒜科生物碱方面的研究，以及Thu-Thuy T. Dang教授在生物碱生物合成通路中细胞色素P450s的研究。

2.1. Vincenzo De Luca

Vincenzo De Luca教授（布鲁克大学）的遗产包括其团队在生物碱生物合成方面的重大发现以及对加拿大植物生物化学家新一代的培养。他的团队专注于解析源自色氨酸和secologanin的MIA长春质碱（vindoline）和长春碱（vinblastine）的生物合成通路，主要研究对象为马达加斯加长春花（Catharanthus roseus）。这一庞大的复杂通路包含31个步骤，最近已全部解析，其中17个酶由De Luca团队发现和表征，另外3个由他们进一步表征。

De Luca团队还研究了印度蛇根木（Rauvolfia serpentina）中的MIA生物合成，表征了γ-生育酚样N-甲基转移酶在阿义马林（ajmaline）生物合成中的作用，并揭示了参与小长春花（Vinca minor）中长春胺（vincamine）输出的转运蛋白。他的团队还报道了葡萄及其葡萄糖基转移酶、黄酮醇和酯类。

除了上述研究成就，培养该领域新一代有成就的研究者也是De Luca教授遗产的一部分。加拿大植物专化代谢研究领域的几位重要和新兴人物都曾在他的实验室工作过，包括Peter Facchini教授、Yang Qu教授和Mehran Dastmalchi教授，他们的研究工作将在下文讨论。

2.2. Peter J. Facchini

Peter J. Facchini教授（卡尔加里大学）对罂粟（Papaver somniferum）中BIA通路的研究始于对酪氨酸/二羟基苯丙氨酸脱羧酶（TYDCs）的表征及其在不同组织中表达谱的分析。随后几年，他的团队致力于鉴定和表征该通路中的酶（包括转运蛋白）以及编码它们的基因的表达谱，包括小檗碱桥酶1、TYDCs、酪胺N-（羟基肉桂酰）转移酶、去甲乌药碱合酶等。

Facchini团队还研究了其他物种的BIA生物合成，包括黄唐松草（Thalictrum flavum）、花菱草（Eschscholzia californica）、伊朗罂粟（Papaver bracteatum）和黄花海罂粟（Glaucium flavum），从而能够研究去甲乌药碱合酶、小檗碱桥酶和O-甲基转移酶的进化，并鉴定新的N-甲基转移酶，包括在苯并菲啶生物碱分支通路中分离出的第一个酶。

他的团队还对威廉斯仙人球（Lophophora williamsii）进行了转录组研究，解析了四氢异喹啉和苯乙胺生物碱（包括墨斯卡林和佩洛汀）的生物合成通路。Facchini团队还表征了与麻黄（Ephedra sinica）和阿拉伯茶（Catha edulis）中麻黄碱及相关生物碱相关的芳香氨基转移酶。通过与结构生物学家Kenneth Ng教授的合作，解析了罂粟的可待因还原酶、黄唐松草的苯并菲啶N-甲基转移酶和黄花海罂粟的四氢原小檗碱N-甲基转移酶的晶体结构，促进了我们对甲基转移酶和还原酶底物识别的整体理解。

最后，Facchini教授还培养了加拿大植物生物碱研究领域新近成立的研究者。例如，David Liscombe教授（布鲁克大学兼职助理教授，Vineland研究与创新中心研究员）最近对入侵物种罗氏豹毒藤（Vincetoxicum rossicum）的研究导致对菲并吲哚里西啶生物碱生物合成通路的更新。下面讨论的Mehran Dastmalchi教授、Thu-Thuy T. Dang教授和Isabel Desgagné-Penix教授也是由Facchini教授培养的专化代谢专家。

2.3. Thu-Thuy T. Dang

Thu-Thuy T. Dang教授最近在英属哥伦比亚大学（UBC）建立了她的实验室，她的团队结合基因组学和生物化学来理解植物生物碱生物合成。该组在该主题上发表了大量文章，并与加拿大和国际合作者合作。此外，Dang团队使用基因表达分析鉴定了喜树（Camptotheca acuminata）中编码CYP的基因，并通过酶促实验表明相应的酶能够氧化喜树碱（camptothecin），一种喹啉生物碱，从而获得一项专利。该专利创新突出了分离的细胞色素P450序列，以及合成生物学在植物中的应用，强调了特定细胞色素P450在植物防御和类异戊二烯化合物合成中的作用。该团队还首次使用比较转录组学和酶促实验鉴定并表征了负责形成两个螺氧化吲哚生物碱的CYP，即来自卡痛树（Mitragyna speciosa）的MsCYP72056。

2.4. Yang Qu

Yang Qu教授先前与Dae-Kyun Ro教授（卡尔加里大学）合作研究生菜中天然橡胶的生物合成，并与Vincenzo De Luca教授合作研究MIA代谢。在De Luca实验室，Qu教授对酵母进行生物工程改造以生产长春质碱。他在新不伦瑞克大学（新不伦瑞克省）建立了自己的实验室，专注于天然药物生物合成，包括生物碱和联苄。他在解析专化代谢物生物合成通路方面的工作包括表征长春林碱合酶（vindolinine synthase），该酶将它波宁（tabersonine）从长春碱代谢转向形成19S-长春林碱、19R-长春林碱和文那斯酮碱（venalstonine）。他的团队还通过卡痛树和其他茜草科物种的转录组研究解析了止痛药帽柱木碱（mitragynine）的生物合成通路，从而鉴定了完成该通路的还原酶和烯醇甲基转移酶。

最后，他的团队最近鉴定并表征了催化印度蛇根木中抗心律失常MIA阿义马林生物合成最后两个未知步骤的酶，即呕吐灵宁1,2(R)-还原酶和1,2-二氢呕吐灵宁19,20(S)-还原酶，以及蛇根木桥酶的新亚型和17-O-乙酰去甲阿义马林乙酰酯酶的两个新亚型。该团队成功地将这些发现应用于酵母中阿义马林的从头生物合成。他们最近还对酵母进行生物工程改造以生产多种萜类和生物碱，主要是长春碱和其他长春花代谢物。

2.5. Vincent JJ Martin

Vincent JJ Martin教授就职于康考迪亚大学，感兴趣于对微生物进行生物工程改造以生产有价值的化合物，如BIAs。他与Facchini教授在阿片类药物方面合作，并与Jay Keasling教授（加州大学）在大麻素通路解析和异源生产方面合作。Martin教授最近的工作包括采用合成生物学方法优化微生物平台（主要是酵母），以及为多种BIA化合物进行通路解析工作。例如，他的团队筛选了植物O-甲基转移酶，实现了莲心碱（liensinine）的从头合成，并设计了一种用于网状番茄枝碱上游中间体L-3,4-二羟基苯丙氨酸的酶偶联生物传感器。Martin教授还是康考迪亚大学应用合成生物学中心（又称康考迪亚基因组铸造厂）的联合主任。

2.6. Isabel Desgagné-Penix

最后，我们在魁北克大学三河城分校的实验室也在药用植物专化代谢生物活性和通路解析方面取得了进展，重点关注石蒜科生物碱（AAs）、大麻素和香兰素。早期和近期的黄水仙“King Alfred”、纸白水仙（N. papyraceus）、夏雪片莲（Leucojum aestivum）和鲍氏文殊兰（Crinum x powellii）的从头转录组研究，导致鉴定了参与AAs生物合成的候选基因。在鉴定候选基因后，我们的策略涉及深入研究AA通路的每个特定步骤。这导致表征了来自黄水仙的去甲孤挺花碱合酶（norbelladine synthase），黄水仙和夏雪片莲中的去氧孤挺花碱/去氧克瑞索碱还原酶（noroxomaritidine/norcraugsodine reductase），以及来自夏雪片莲的细胞色素P450s（CYPs）肉桂酸4-羟化酶、对香豆酰3′-羟化酶和抗坏血酸过氧化物酶/4-香豆酸3-羟化酶。除了植物，我们还组装了两种真菌物种的转录组，植物病原体Armillaria sinapina和药用真菌Inonotus obliquus，并鉴定了萜类生物合成基因，包括角鲨烯环氧酶和羽扇豆醇合酶。

研究组在异源系统中植物代谢物合成方面也取得了进展。除了使用酵母和细菌，该团队将微藻作为生产专化代谢物和表征酶的平台进行生物工程改造。虽然过程可能更繁琐，但这可能带来更可持续的平台。该团队成功地在硅藻Phaeodactylum tricornutum中稳定表达了不同的大麻（Cannabis sativa）和细菌酶，用于生产橄榄酸（olivetolic acid）、大麻萜酚酸（cannabigerolic acid）和其他大麻素。他们还优化了技术以对其他微藻进行生物工程改造，包括莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）和小球藻（Chlorella vulgaris）。

3. 萜类研究

萜类衍生自通过甲羟戊酸途径和甲基赤藓醇磷酸途径产生的二甲基烯丙基焦磷酸和异戊烯基焦磷酸，在植物发育、应激反应和传粉者吸引中起关键作用。许多此类化合物，如紫杉醇（paclitaxel）、薄荷醇（menthol）和青蒿素（artemisinin），用于食品、化妆品和制药行业。鉴于已鉴定出数千种萜烯和萜类化合物，众多研究团队专注于表征负责其合成的酶。

本节详细介绍了Dae-Kyun Ro教授、Soheil Mahmoud教授、J?rg Bohlmann教授、Tariq A. Akhtar教授和Reinhard Jetter教授在表征裸子植物和被子植物中萜烯合酶方面的贡献。此外，还涵盖了Ro教授、Bohlmann教授、Akhtar教授和Valerie C.A. Ward教授在异源系统（包括酵母、微藻和植物）中生产萜类化合物的研究。

3.1. Dae-Kyun Ro

在卡尔加里大学，Dae-Kyun Ro教授研究萜类、原花青素和天然橡胶的生物合成。他的团队使用转录组学鉴定了豌豆（Pisum sativum）的花色素苷、无色花色素苷和二氢黄酮醇还原酶，并在体外表征了这些酶，显示它们合成顺式和反式黄烷-3-醇。他对倍半萜生物合成的研究导致鉴定和表征了不同通路中的几种酶。在Aztec甜草（Lippia dulcis）中，他们表征了(+)-表-α-红没药醇合酶（(+)-epi-α-bisabolol synthase），该酶催化hernandulcin生物合成的第一步，以及樟脑合成中涉及的龙脑基二磷酸合酶（bornyl diphosphate synthase）。在缬草（Valeriana officinalis）中，该团队表征了三种合成germacrene C和D、valerena-4,7(11)-diene和(-)-drimenol的倍半萜合酶。他们还从Barnadesia spinosa（espino santo或“holy thorn”）鉴定和表征了两种germacrene A合酶，以及从生菜（Lactuca sativa）鉴定了一种。在研究黄花蒿（Artemisia annua）的两种倍半萜氧化酶时，他们显示germacrene A和amorphadiene氧化酶参与了一种广泛存在且物种特异性的倍半萜的生物合成。他们还鉴定并表征了一种CYP，该酶将kolavenol转化为crotonolide G，一种与savonorin相关的化合物。最后，他们表征了生菜Germacrene A合酶1和2的启动子，显示这些基因在邻近乳管的薄壁细胞中表达。

该团队对天然橡胶生物合成的研究包括银胶菊（Parthenium argentatum）和生菜，从中他们鉴定并表征了顺式异戊二烯基转移酶（CPT）和CPT结合蛋白。在生菜中，他们显示CPT结合蛋白2（LsCBP2，先前命名为CPTL2）将CPT3束缚在内质网上，并在体外合成顺式聚异戊二烯。此外，他们鉴定了这些基因负责其乳管特异性表达的启动子区域。最后，通过在天然橡胶缺陷的生菜中表达来自银胶菊和加拿大一枝黄花（Solidago canadensis）的CPT3，他们显示这些蛋白在异源细胞环境中能合成更高质量的天然橡胶，表明该化合物的质量并不单独依赖于CPT。

除了在植物中解析萜类通路，Ro教授在研究生期间以及作为团队领导者或合作者时，在代谢工程改造酵母作为生产SMs的平台方面取得了重要进展。例如，他通过表达来自Salmonella enterica的乙酰-CoA合成酶变体成功增强了甲羟戊酸途径中的碳通量，旨在生产amorphadiene，一种高价值倍半萜青蒿素的前体。Ro教授的团队设计了模块化多重基因组编辑CRISPR平台，以增强阿魏酰-CoA途径，旨在在酵母中生产姜黄素和其他生物碱。最后，他的团队在植物中的成就包括在本氏烟草（Nicotiana benthamiana）和豌豆植物中的工作。在本氏烟草中，他的团队能够增加倍半萜和三萜（α-红没药醇、amorphadiene、valerenadiene和β-香树脂素）在烟草中的产量。这是通过发现酶串扰和使用不同通路间的推-拉策略实现的。他们最近用CRISPR/Cas9系统靶向豌豆植物基因β-香树脂素合酶，以获得皂苷-free的豌豆产品，这些产品苦味更少。

3.2. Soheil Mahmoud

英属哥伦比亚大学副教授Soheil Mahmoud教授致力于解析单萜代谢。从芫荽（Coriandrum sativum）的转录组中，他的团队鉴定并随后表征了两种单萜合酶，S-芳樟醇合酶和γ-松油烯合酶。然而，他的研究重点是薰衣草（Lavandula spp.）精油的生物合成。他的努力导致发布了狭叶薰衣草（L. angustifolia）的基因组草图，这是该属中第一个测序的基因组。他使用基因表达技术，包括表达序列标签、微阵列和RNA测序，来鉴定和表征薰衣草物种中的萜烯合酶。这些包括狭叶薰衣草的β-水芹烯合酶、龙脑脱氢酶（樟脑生物合成通路中的一种酶）、1,8-桉树脑合酶（LiCINS）、9-表-(E)-石竹烯合酶、薰衣草基二磷酸合酶、两种BAHD酰基转移酶、3-蒈烯合酶、S-芳樟醇合酶（LiLINS）、香叶基二磷酸合酶、香叶基香叶基二磷酸合酶和法尼基二磷酸合酶，以及来自L. x intermedia的(+)-龙脑基二磷酸合酶。该团队还从该杂交种中鉴定并表征了数个与LiLINS和/或LiCINS启动子结合的转录因子。

3.3. J?rg Bohlmann

J?rg Bohlmann教授在德国马克斯·普朗克化学生态学研究所时就开始研究TPS，当时他分析了一种烟草（Nicotiana attenuata）基因的表达谱，该基因编码一种5-表-马兜铃烯合酶（一种参与辣椒醇生物合成的酶）。他还鉴定并表征了来自拟南芥（Arabidopsis thaliana）的一种TPS，该酶合成月桂烯和(E)-β-罗勒烯。在UBC，他的团队对拟南芥预测的TPS进行了计算机分析，随后表征了该物种的一种(E)-β-罗勒烯合酶。

他团队的后续工作集中于裸子植物中的萜烯合成。除了理解萜烯在针叶树防御病原体和害虫中的作用以及该响应如何受茉莉酸甲酯影响外，他们还鉴定了许多基因并在道格拉斯冷杉（Pseudotsuga menziesii）、火炬松（Pinus taeda）、挪威云杉（Picea abies）、白云杉（Picea glauca）、香脂冷杉（Abies balsamea）和 Sitka云杉（Picea sitchensis）中功能表征了TPS。在一项研究中，他的团队鉴定并功能表征了来自云杉的15种单萜合酶，包括Sitka云杉、白云杉和杂交白云杉的4种倍半萜合酶和2种二萜合酶。他们还表征并进行了参与不同针叶树中二萜树脂酸生物合成的细胞色素P450s的进化研究，包括CYP720B、CYP750B和CYP76AA亚家族的酶。

除了在针叶树方面的工作，Bohlmann团队还研究被子植物，表征了来自杂交杨树（Populus trichocarpa x deltoides）的(–)-germacrene D合酶；表征了来自葡萄（Vitis vinifera）的TPS并评估了葡萄酒香气与萜烯生物合成之间的关系；鉴定并表征了合成檀香油（Santalum album）倍半萜醇的CYPs；以及鉴定和表征了来自大麻（C. sativa）的TPS。Bohlmann教授还通过鉴定大麻素苷类并参与在酵母和本氏烟草中重建通路，为植物合成生物学做出了贡献。

最后，他的团队解析了MontbretinA的生物合成通路，鉴定并表征了数种UDP-依赖的糖基转移酶、BAHD-酰基转移酶、4-香豆酰-CoA连接酶和酰基激活酶。他们最终在本氏烟草中重建了整个通路。

3.4. Tariq A. Akhtar

Tariq Akhtar教授是圭尔夫大学的副教授，研究植物代谢。他与Eran Pichersky教授（密歇根大学）在鉴定番茄CPT基因家族方面开始了专化代谢的工作。对多萜醇的研究导致表征了番茄和拟南芥的CPT，两者都位于叶绿体基质中，可延长香叶基香叶基二磷酸。此外，他们显示多萜醇dolichol的生物合成需要一种CPT和一种辅助蛋白，该蛋白在番茄中定位于ER和高尔基系统，并在本氏烟草中重建了该通路。

他的团队扩展了最初与Pichersky教授在白色剪秋罗（Silene latifolia）中veratrole生物合成方面的工作，显示水杨酸在白色剪秋罗中被分解代谢为veratrole，以儿茶酚和愈创木酚为中间体。最后，他的团队还提出了大麻（C. sativa）中联苄和cannflavins A和B的生物合成通路，并鉴定了两条通路中的酶。

3.5. Valerie CA Ward

Valerie CA Ward教授是滑铁卢大学化学工程系的助理教授。她致力于微生物的代谢工程以生产类异戊二烯，并寻找从湿生物质中高效提取的过程。Ward博士的团队对大肠杆菌进行生物工程改造以生产虾青素，表达了来自革兰氏阴性菌Pantoea agglomerans的β-胡萝卜素通路基因和来自植物Adonis aestivalis（夏侧金盏花）的编码β-胡萝卜素羟化酶和酮化酶的基因。Ward博士还与麻省理工学院的Gregory Stephanopoulos教授合作，使用其他生物生产脂溶性类异戊二烯，包括产脂酵母Yarrowia lipolytica和微藻小球藻（Chlorella vulgaris）。

3.6. Reinhard Jetter

尽管他的主要焦点是植物角质层组成和植物-昆虫相互作用，但必须强调Jetter教授（UBC）在三萜类生物合成研究中的贡献。他的团队鉴定并表征了来自积雪草（Centella asiatica）的两种CYPs，参与皂苷asiaticoside的生物合成，以及来自蓖麻（Ricinus communis）、大叶落地生根（Kalanchoe daigremontiana）、番茄（Solanum lycopersicum）和栓皮栎（Quercus suber）的氧化角鲨烯环化酶。

4. 聚酮化合物和酚类化合物研究

酚类化合物和聚酮化合物具有相似的起源，以酰基分子（来自酰基辅酶A底物）作为前体。酚类化合物，如酚酸和木脂素，由乙酸-丙二酸途径或莽草酸途径合成，以丙二酰辅酶A、赤藓糖-4-磷酸和磷酸烯醇丙酮酸作为初级代谢物前体。 Meanwhile, polyketides, such as cannabinoids and flavonoids, are formed through the extension of an initial acyl molecules (such as acetyl, malonyl, and hexanoyl) by condensation of malonyl units by type III polyketide synthase, followed by the cyclization of the resulting chain. 在植物中，这些化合物有助于结构和防御、活性氧的清除以及传粉者的吸引。具有抗氧化和抗炎特性，这些代谢物在医学上针对癌症、糖尿病和其他疾病具有价值。

从1983年到2021年，已有超过20个查尔酮合酶（CHS）基因被表征，并且有许多努力来理解它们在植物界的进化以及CHS-like酶的进化。我们在下面描述了Dae-Yeon Suh教授团队在理解苔藓植物和被子植物中聚酮合酶进化和功能方面的贡献。另一方面，植物大麻素生物合成的研究包括大麻（C. sativa）的转录组学，评估调节大麻素和其他专化代谢物生产的转录因子和胁迫，以及群体研究，这些研究鉴定了与形态、生产力、大麻素含量相关的几个标记。这项基础研究是通过育种努力、基因沉默或合成生物学改进所需代谢物生产的基础。这些研究之所以成为可能，得益于Page教授团队在大麻基因组学方面的开创性贡献，这些贡献将在下面描述。

加拿大研究者已经鉴定了豆类和杨树等作物中酚类化合物代谢的基因和酶，专注于控制其生物合成和分解代谢的转录因子。全球研究同样解析了这些植物中酚类化合物积累的机制，包括转录组和基因组研究鉴定了酚类化合物相关位点。有关详细见解，读者可参考全面的综述。

本节讨论了Gale Bozzo教授、Sangeeta Dhaubhadel教授和Mehran Dastmalchi教授在花色素苷和类黄酮代谢方面的努力，以及C. Peter Constabel教授和Nikola Kovinich教授在多酚代谢中转录因子的研究