《Biotechnology Advances》：Biotechnological advances in key regulatory genes of phenylpropanoid and terpenoid biosynthesis pathways in
Panax ginseng: Current insights and future prospects
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人参苯丙烷和萜类生物合成途径基因解析与调控技术综述，探讨基因组编辑、CRISPR、代谢工程等创新手段提升活性成分产量的工业应用潜力。
张梦阳|吴佳|张杰|王福|王有成|雷秀娟|王英平|张健
吉林农业大学中药材料学院，中国吉林省长春市130118
摘要
背景：人参是最重要的药用植物之一，在传统医学和现代医学中都因其治疗价值而广受认可。其多样的药理活性主要由次生代谢产物介导，尤其是来自苯丙素途径的黄酮类和多酚类物质以及来自萜类途径的人参皂苷，这些物质具有强大的抗氧化、抗衰老和抗炎作用。
综述目的：本文综述了在阐明和调控人参中苯丙素和萜类生物合成相关基因方面的最新生物技术进展。我们总结了基因发现和功能表征的进展，特别关注人参皂苷的生物合成。文章强调了包括基因组编辑、基于CRISPR的调控、代谢工程和合成生物学在内的前沿方法，这些方法可以重新编程代谢流并提高代谢产物的产量。此外，我们还讨论了基于组学的策略、系统生物学模型以及新兴的生物反应器和细胞培养平台，这些技术将基础遗传学与应用生物技术相结合。本文为培育具有更好生物活性化合物成分的人参品种提供了理论和实践框架，并为精准育种和工业规模生产高价值药用代谢产物铺平了道路。
引言
人参（Panax ginseng）属于五加科，因其卓越的药用特性而被称为“草药之王”（Kim等人，2018年）。作为传统中医（TCM）中的核心草药，其治疗用途已在《神农本草经》等经典文献中得到系统记录（Sun和Sun，1955年）。其核心药用价值主要来源于次生代谢产物中的苯丙素和三萜类化合物之间的协同生物活性（Hyun等人，2022年；Tao等人，2023年；Hyun等人，2020年）。人参皂苷Rb1、Rd、Re、Rg1具有抗炎作用，并能促进促炎细胞因子的产生并调节炎症信号通路的活动（Kim等人，2017年）。黄酮类和酚类化合物具有显著的抗氧化特性。例如，山柰酚可以通过清除自由基来缓解酒精引起的肝损伤（Je等人，2021年）（图1）。
在人参中，苯丙素途径主要产生黄酮类化合物，如花青素和木质素，这些化合物有助于植物抵抗干旱、低温和虫害，同时具有抗菌、抗氧化和抗炎的药理作用（Yadav等人，2020年）。萜类化合物主要通过两条主要途径生物合成：2-C-甲基-D-赤藓糖-4-磷酸（MEP）途径和甲瓦酮（MVA）途径，这些途径产生三萜皂苷、甾醇及相关代谢产物。MVA和MEP途径生成两种通用的异戊二烯前体——异戊烯焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP），而苯丙素途径提供芳香前体如苯丙氨酸。这些核心中间体随后通过一系列酶催化的修饰反应（包括环化、甲基化和氧化还原修饰）组装成结构多样的生物碱骨架（Bhambhani等人，2021年）。现代药理学研究表明，这些植物化学物质的生物合成效率受到动态调控网络的控制，这些网络涉及苯丙素途径、MVA和MEP途径，这些途径中的化合物含量比例对人参的药用质量和治疗效果至关重要，因此这些途径成为代谢工程和分子育种的主要目标。
近年来，通过综合多组学策略，在解析人参的代谢调控网络方面取得了革命性进展。目前已有三个相对完整的人参基因组版本，这些版本从不同角度揭示了人参的基因组成。其中2018年的版本主要利用四年生叶片构建了人参基因组框架，并阐明了人参的进化过程。2022年的版本整合了多种人参品种的染色体级基因组，并通过对比分析人参和表观基因组，揭示了异源多倍体和二倍体人参在进化过程中的次生代谢产物特异性（Kim等人，2018年；Wang等人，2022年）。最新的2024年版本利用HiFi、Hi-C和ONT测序技术组装了3.45Gb的人参完整基因组，并重点研究了异源多倍体形成过程中三萜皂苷合成基因的不均匀进化（Song等人，2024年）。基因组学方法大大推进了控制人参次生代谢的关键基因的系统注释，特别是编码三萜和苯丙素途径中限速酶的基因。基于这一基因组框架，Fang等人利用多组学整合（转录组-代谢组）技术解析了人参皂苷生物合成的空间和环境调控机制（Fang等人，2024年）。尽管已经鉴定出参与次生代谢产物的酶基因，但由于缺乏稳定的遗传转化系统，基因编辑工作进展缓慢。本综述总结了先前发表的与人参主要次生代谢途径相关的基因，旨在为人参的遗传转化和合成生物学应用提供新的研究视角。
节选内容
苯丙素途径
在人参中，苯丙素途径是多酚类化合物（包括木质素、黄酮醇和花青素）的主要生物合成途径，这些化合物在增强植物抗氧化能力方面起着关键作用（Yin等人，2021年）。该途径在人参的根、果实和叶片中含量较高，近年来由于果实参与花青素等色素的生物合成，因此受到特别关注（Kim等人）。
萜类代谢途径
人参皂苷的生物合成涉及两条不同的萜类代谢途径：MVA途径和MEP途径。这些途径共同产生达玛烷型、橄榄酸型和奥科蒂洛尔型人参皂苷以及特定的甾醇衍生物。从药理作用来看，人参皂苷具有多系统生物活性，包括心脏保护作用和免疫调节功能，而共生的甾醇则具有抗氧化和抗炎特性。
基因表达的组织特异性
基因表达是一个基本的生物学过程，它将储存在基因中的遗传信息与其功能产物（包括蛋白质和非编码RNA）联系起来。从基因表达到蛋白质产生的过程涉及多个严格调控的步骤，如转录、mRNA降解、翻译和翻译后修饰，每个步骤都受到精确的遗传控制（Schwanh?usser等人，2011年）。在植物中，基因表达的空间和时间调控
生物技术的应用策略
作为传统药用植物的核心，人参在其根茎中合成具有生物活性的次生代谢产物——尤其是人参皂苷和酚酸——这些成分是其“滋补活力”和增强免疫功能的药理基础。然而，工业规模生产面临一些关键瓶颈，这些问题源于其生物学特性与商业需求之间的内在冲突。
增值分析
人参作为一种在传统医学中具有重要价值的药用植物，长期以来由于资源限制和质量不稳定而受到工业发展的制约。生物技术干预显著改变了人参的供应、质量控制和应用方式，极大地提升了其工业价值，并促进了从资源依赖向技术驱动生产的转变（Li等人，2019年）。挑战与未来方向
尽管通过综合代谢组学和转录组学分析已经完成了人参基因组的测序，并系统阐明了包括三萜皂苷生物合成的MVA途径和酚酸合成的苯丙素途径在内的核心次生代谢途径，但在功能基因组学和工业应用方面仍存在关键挑战。主要瓶颈在于缺乏可靠且可重复的遗传转化系统。
结论
本综述建立了理解人参次生代谢的框架，并强调了生物技术如何推动其下一阶段的发展。通过将苯丙素和萜类生物合成与基因组编辑、基于CRISPR的调控、代谢工程、合成生物学和优化生物反应器系统等先进工具相结合，本文提出了提高代谢产物产量、质量和工业适用性的实际策略。
利益冲突声明
作者声明本研究在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行。
致谢
本研究得到了人参重要品质和性状的遗传分析及分子设计育种的基础研究（项目编号：U21A20405）、人参等药用材料品种的收集、筛选和繁殖技术的研究与示范（项目编号：202020071）、吉林农业大学高级研究员计划（项目编号：JLAUHLRG20102006）以及吉林省人力资源和社会保障厅的支持（项目编号：）
