GGPPS基因在植物色香性状改良中的应用研究进展

王良桂,曾贵敏,杨秀莲,岳远征

(1.南京林业大学风景园林学院,江苏省风景园林重点实验室,南方现代林业协同创新中心,江苏 南京 210037; 2.南京林业大学林草学院,江苏 南京 210037)

色彩、香味是园林植物重要的观赏特性,萜类化合物作为芳香物质的主要组成成分,同时也影响植物颜色的呈现。依据所含异戊二烯单元的数目,可以将萜类化合物分为单萜(C10)、倍半萜(C15)、二萜(C20)、四萜(C40)等[1],其中单萜和倍半萜是影响植物香气物质的关键成分,而四萜类胡萝卜素是一类重要的显色化合物,使植物花朵和果实呈现黄色到红色的丰富色彩。植物体中萜类化合物一般有两条合成途径:①甲羟戊酸(MVA)途径,主要负责倍半萜的合成;②甲基赤藓醇磷酸(MEP)途径,主要负责单萜和二萜物质的合成。

牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶(geranylgeranyl pyrophosphate synthase, GGPPS),即香叶基香叶基焦磷酸合酶,属于短链反式异戊烯转移酶(short-chain trans-prenyltransferase, trans-IPPS)家族,参与植物体内不同异戊二烯的生物合成。GGPPS位于MVA/MEP途径调节碳流动的重要节点,能够催化3分子异戊烯基焦磷酸(isopentenyl pyrophosphate, IPP)和1分子二甲基烯丙基焦磷酸(dimethylallyl pyrophosphate, DMAPP)头尾相连生成牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸(geranylgeranyl pyrophosphate, GGPP);或者催化1分子法尼基二磷酸(farnesyl diphosphate, FPP)与1分子IPP缩合产生GGPP[2-3]。GGPPS基因既参与类胡萝卜素、叶绿素等植物色素的生物合成,也影响挥发性芳香化合物如单萜、倍半萜等的合成[4-5]。本研究对植物中GGPPS蛋白的结构与分类进行分析,并对不同植物中的GGPPS系统发育进行探讨,总结GGPPS基因的转录调控和其他调控因子,从而揭示GGPPS基因在植物花香、花色形成方面的应用潜力。

1 GGPPS的结构与分类

目前GGPPS基因已经从多种植物中鉴定出来,本研究以被子植物、裸子植物、藻类植物、苔藓类植物为例,分别从拟南芥数据库、茄科数据库和NCBI数据库下载GGPPS蛋白序列,通过MEGA 11序列比对和系统进化树构建来阐述植物GGPPS蛋白的结构与分类。

1.1 GGPPS蛋白的结构

GGPPS多序列比对见图1。

Cs. 茶Camellia sinensis; Mn. 川桑Morus notabilis; Rd. 大马士革玫瑰Rosa × damascena; Sm. 丹参Salvia miltiorrhiza; Rg. 地黄Rehmannia glutinosa; Tc. 东北红豆杉Taxus cuspidata; Eul. 杜仲Eucommia ulmoides; Cu. 日本蜜柑Citrus unshiu; Mp. 胡椒薄荷Mentha × piperita; Mt. 蒺藜苜蓿Medicago truncatula; Os. 粳稻Oryza sativa subsp. japonica; Jc. 麻风树Jatropha curcas; Pm. 马尾松Pinus massoniana; Tm. 曼地亚红豆杉Taxus × media; Pb. 毛喉鞘蕊花Plectranthus barbatus; Js. 茉莉花Jasminum sambac; Ms. 苜蓿Medicago sativa; Ss. 南欧丹参Salvia sclarea; At. 拟南芥Arabidopsis thaliana; Eu. 牛奶子Elaeagnus umbellata; Ca. 欧榛Corylus avellana; Do. 铁皮石斛Dendrobium officinale; Gb. 银杏Ginkgo biloba; Zm. 玉米Zea mays; Li. 窄叶薰衣草Lavandula × intermedia; Gj. 栀子Gardenia jasminoides; Sl. 番茄Solanum lycopersicum; Ot. 金牛球菌Ostreococcus tauri; Cr. 莱茵衣藻Chlamydomonas reinhardtii; Ol. 绿色鞭毛藻Ostreococcus lucimarinus; Pw. 威克海姆原藻Prototheca wickerhamii; Pp. 小立碗藓Physcomitrella patens。下同。The same below。图1 GGPPS多序列比对Fig. 1 GGPPS sequence alignment

植物GGPPS包含两个富含天冬氨酸高度保守区域——FARM和SARM蛋白质结构域,其特征序列为“DDxx(xx)D”(其中D为天冬氨酸,x为任意氨基酸)[4]。这两个活性结构域与Mg2+螯合参与底物IPP和二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP)的结合,从而影响GGPPS的催化活性[6-7]。结构域FARM上游存在链长决定域(CLD),链长决定域内第1个氨基酸残基是决定催化产物长度的关键残基,分子量较大的氨基酸残基会限制异戊二烯链的扩展,从而缩短产物[6, 8-9]。此外,某些GGPPS序列中还存在“CxxxC”结构域(C为半胱氨酸),这个结构域对于GGPPS蛋白与其他蛋白的相互作用至关重要[10]。为分析植物中GGPPS的结构,进行GGPPS多序列比对(图1),从拟南芥数据库(https://www.arabidopsis.org/)、茄科数据库(https://solgenomics.net/)和NCBI数据库(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)分别下载拟南芥(Arabidopsisthaliana)、番茄(Solanumlycopersicum)、银杏(Ginkgobiloba)等植物的GGPPS蛋白序列,并在MEGA 11软件中进行多序列比对。结果(图1)发现,植物GGPPS氨基酸序列具有较高的同源性,这种高度的相似性表明GGPPS氨基酸序列在植物界中高度保守。它们大多含有高度保守的蛋白质结构域FARM、SARM和一个“CxxxC”结构域,在GGPPS-Ⅳ中存在FARM、SARM缺失或突变的情况,可能导致它们不具有GGPPS酶活性,如拟南芥AtGGPPS12氨基酸序列中SARM基序“DDxxD”突变为“DDxxE”,在拟南芥(A.thaliana)中过表达AtGGPPS12并不会影响GGPP的生成。

1.2 GGPPS蛋白的分类

GGPPS遗传进化分析结果(图2)可知,植物GGPPS蛋白根据序列结构可以分成5大类(GGPPS Ⅰ—Ⅴ),其中GGPPS Ⅰ(藻类GGPPS)、GGPPS Ⅱ(苔藓GGPPS)、GGPPS Ⅲ(裸子植物GGPPS)和GGPPS Ⅴ(被子植物GGPPS)被称为GGPPS的大亚基(large GGPPSunit, LSU),具有特征序列FARM、SARM和1个“CxxxC”结构域(图1),而GGPPS Ⅳ被称为GGPPS的小亚基(small subunit, SSU)[11]。SSU包括两个亚类,即SSU-Ⅰ和SSU-Ⅱ[12-13]。SSU-Ⅰ成员主要存在于开花植物中,缺少SARM和FARM但保留两个“CxxxC”基序,如胡椒薄荷(Mentha×piperita)的MpSSU-Ⅰ、金鱼草(Antirrhinummajus)的AmSSU-Ⅰ、仙女扇(Clarkiabreweri)的CbSSU-Ⅰ、啤酒花(Humuluslupulus)的HlSSU-Ⅰ和栀子(Gardeniajasminoides)的GjSSU-Ⅰ[13-16];而SSU-Ⅱ具有完整的FARM、突变的SARM和两个“CxxxC”基序,如拟南芥的AtSSU-Ⅱ、水稻(Oryzasativa)的OsSSU-Ⅱ和番茄的SlSSU-Ⅱ[15, 17-18]。GGPPS.LSU能够形成同源二聚体合成GGPP或GPP,也可以与SSU形成异源二聚体行使生物学功能[5, 13, 15, 19]。CsGGPPS、RdGGPPS、JsGGPPS等被子植物大多聚集在一起,属于GGPPS-Ⅴ,而裸子植物GbGGPPS、TmGGPPS、PmGGPPS聚集在一个分支,藻类和苔藓类植物GGPPS分别聚集在一个分支,其中苔藓类与裸子植物亲缘关系最近(图2)。

图2 GGPPS遗传进化分析Fig. 2 Genetic evolution analysis of GGPPS

2 GGPPS基因位于植物类胡萝卜素和单萜合成途径的关键节点

颜色和气味决定植物的观赏价值,挥发性萜类化合物如单萜和倍半萜是植物关键芳香成分,而非挥发性萜类如类胡萝卜素能够影响植物呈色。植物体中萜类化合物可以由MVA/MEP途径合成,IPP是关联2条代谢途径的中间体,DMAPP则是IPP的双键异构体,二者在异戊烯基焦磷酸异构酶(isopentenyl pyrophosphate isomerase, IDI)的作用下可以相互转化。IPP和DMAPP在牻牛儿基焦磷酸合酶(GPPS)、法呢基焦磷酸合酶(FPPS)、GGPPS的催化下分别形成GPP、FPP、GGPP[20-21]。GPP和FPP是单萜(C10)、倍半萜(C15)的前体物质,而GGPP是四萜类胡萝卜素(C40)的直接前体。另外,GGPPS通过与GPPS的小亚基SSU-Ⅰ形成异源二聚体也可以催化单萜前体物质的合成[15](图3)。

图3 GGPPS基因位于植物类胡萝卜素和单萜合成途径的关键节点Fig. 3 The key node of GGPPS gene in the synthesis pathway of carotenoids and monoterpenes in plants

从生物合成和转录调控的角度来看,不同代谢分支之间存在竞争相同前体的关系。(E, E, E)-香叶醇[(E, E, E)-Geranylgeraniol, GGOH]是GGPP的醇衍生物,为制造香水的重要成分之一,GGPPS基因对GGOH的微生物生产至关重要。在模式生物灰盖拟鬼伞(Coprinopsiscinerea)菌株LT2中异源表达曼地亚红豆杉(Taxus×media)的GGPPS基因可以促进GGOH的产生,并使得角鲨烯和麦角甾醇的含量显著降低[22]。水仙(Narcissustazetta)中,GGPPS的转录水平也能够协调水仙中单萜和类胡萝卜素生物合成途径之间的代谢物通量[23]。由图3可以看出,GGPPS和GPPS催化底物相同,同样可能存在底物竞争。当更多的IPP流向GGPPS时,会促进下游产物GGPP的合成进而影响有色类胡萝卜素如番茄红素(红色)、叶黄素(黄色)等的生物合成,导致植物颜色加深;而当更多的IPP流向GPPS时,则会增加下游GPP的产量进而促使单萜物质如芳樟醇的合成,导致植物香味化合物得到积累,变得更香。另外,下游CDDs基因可以裂解类胡萝卜素产生香气物质,如β-环柠檬醛、β-大马酮和β-紫罗兰酮。GGPPS基因能够通过直接调控类胡萝卜素前体物质GGPP的合成,进而促进下游脱辅基类胡萝卜素含量的增加,达到提高植物香气物质释放的目的。

因此,可以认为GGPPS基因位于两条代谢途径的交叉点,既参与单萜和倍半萜的合成,又催化类胡萝卜素前体物质的生成。通过调控GGPPS基因或许可以同时调节两条途径产物的产量,协调单萜和类胡萝卜素生物合成途径之间的代谢物通量,从而影响植物色泽和香气的形成。

3 GGPPS基因对植物色香的影响

花朵和果实是植物重要观赏器官,色彩和香味是其主要观赏性状。类胡萝卜素是植物天然色素,赋予植物鲜艳的颜色。GGPPS基因介导合成的GGPP是类胡萝卜素代谢途径的关键前体物质,GGPP的产量直接影响下游类胡萝卜素的合成[24-25]。而萜烯类化合物是植物香气成分的主要物质,GGPPS是植物萜类物质途径中的关键酶基因,参与植物萜烯类香气物质的合成。因此,GGPPS基因对植物花、果的色泽与香味形成具有重要意义。

3.1 GGPPS基因影响植物花色、花香的形成

3.1.1 花色

类胡萝卜素影响植物花色的呈现,目前类胡萝卜素的代谢途径已经阐明,GGPPS基因影响类胡萝卜素合成速率,GGPP的合成是类胡萝卜素代谢途径的限速过程。关于调控GGPPS基因参与植物花色形成的功能报道很少,拟南芥中异源表达鹅掌楸(Lirodendronchinense)的LtuGGPPS2基因证明了GGPPS基因能够促进植物色素沉着。LtuGGPPS2基因在鹅掌楸花中表达量最高,其在花瓣发育过程中的表达水平与花中萜类化合物的含量变化一致,在拟南芥中LtuGGPPS2基因过表达后,导致转基因拟南芥的类胡萝卜素含量提高了44.42%[26]。在烟草(Nicotianatabacum)中对NtGGPPS1基因进行结构导向合理设计,设计出突变体d-NtGGPPS1基因,瞬时表达和稳定表达结果一致,叶片中类胡萝卜素的水平均有所提高[27]。以上结果表明GGPPS基因促进了类胡萝卜素的生物合成,并且可能是植物着色的原因。

3.1.2 花香

单萜是植物花香的关键成分,GGPPS基因能够调控合成单萜前体物质GPP,促进植物体单萜物质的积累从而影响植物花香释放。野百合(Liliumbrownii)花中香气物质的主要成分为单萜类化合物罗勒烯、芳樟醇、α-月桂烯等,占百合芳香类物质总释放量的50.0%～81.6%[28]。有报道称GGPPS基因参与百合萜烯类物质的合成,对百合花香有一定影响[29]。通过基因工程技术改变植物中GGPPS基因的表达水平,从而进一步揭示其在植物花色、花香代谢途径中的关键作用。长春花(Catharanthusroseus)的CrGGPPS基因对单萜物质的生物合成也具有重要作用,下调CrGGPPS基因表达会显著降低与单萜生物合成相关的转录因子和基因的表达,从而导致单萜物质的减少[30]。

GGPPS基因的表达丰度是导致植物不同品种间香气含量存在差异的关键酶因子之一,其表达模式与花香物质释放有关。通过挥发性代谢组和转录组相关分析,发现不同丁香(Syringa)品种中GGPPS基因的表达水平与花香物质含量正相关,与淡香品种紫丁香(S.oblata)相比,强香品种欧丁香(S.vulgaris)中的GGPPS基因表达水平更高,表明GGPPS基因可能是促进丁香挥发性代谢物合成的关键基因之一,其在2个品种间的差异表达导致了花香含量的不同[31]。同样,香水月季(Rosaodorata)的转录组数据分析也表明GGPPS基因的差异表达可能导致了单瓣香水月季和大花香水月季的香气差异[32]。另外,GGPPS基因在植物中的时空差异性表达会影响植物香气物质的释放,有研究报道GGPP基因表达量的时空差异变化与植物香气物质合成及释放规律表现出高度一致性。例如,茉莉花(Jasminumsambac)中编码GGPPS酶的关键基因JsGGPPS,其在花器官不同发育阶段的表达模式与花香物质释放规律一致,推测JsGGPPS基因可能参与调控茉莉花香气物质的合成与代谢[33]。大马士革玫瑰(Rosadamascena)是香水产业中重要的芳香原料花卉之一,其花朵中的香气化合物(如香茅醇)含量在花朵发育过程中增加并在盛花期达到峰值,在花朵衰老期降低,这与RdGGPPS基因的表达模式一致,推测大马士革玫瑰花朵中芳香物质的积累可能与GGPPS基因的表达有关,GGPPS基因是调控大马士革玫瑰芳香成分次生代谢的重要候选基因[34]。

GGPPS催化IPP和DMAPP转化为GPP和GGPP[19],通过调控IPP和DMAPP浓度之间的比率可以改变GGPPS的催化产物特异性从而影响植物香气物质的合成。如辣椒(Capsicumannuum)中,较高的DMAPP浓度会导致CaGGPPS催化产生大量GPP[35]。除了底物浓度,GGPPS蛋白的CLD区域和特殊的“CxxxC”结构同样能够影响植物颜色和气味的形成。CLD区的大分子残基(如丝氨酸)被苯丙氨酸等小分子量残基取代后会导致GGPPS催化合成GPP[36],而具有“CxxxC”相似结构的GGPPS能够同时产生GPP和GGPP,甚至只催化产生GPP,从而促进香味化合物的合成[37-38]。

另外,GGPPS可以作为异源二聚体GPPS的大亚基(LSU)发挥作用,异源二聚体G(G)PPS能够改变催化产物的链长特异性,促进单萜前体物质GPP的高效合成[15]。金鱼草的GPPS.SSU能够与烟草的GGPPS相互作用形成异源二聚体,在烟草中表达AmSSU能够增加叶片和花朵中总GPPS酶的活性,促进单萜烯排放,并且转基因植株叶片萎黄,叶绿素、类胡萝卜素和赤霉素水平均有所降低[39]。在拟南芥中已经证实花中单萜物质的合成是依赖于异源二聚体G(G)PPS,而不是同源二聚体GPPS[40]。蜡梅花香味中单萜类物质α-芳樟醇丰富,占总挥发性物质含量的36%,CpGPPS.SSU1和CpGGPPS1基因在蜡梅花瓣特异性高表达,二者可以相互作用调节蜡梅花瓣中香味物质的生物合成[41]。在胡椒薄荷[42]、金鱼草[13]、啤酒花[15]、云杉(Piceaasperata)[38]和长春花[30]等植物中也有GGPPS参与异源二聚体形成并促进单萜合成的报道。综上,GGPPS基因极大可能参与了花香物质的合成,研究GGPPS基因对植物花香的调控作用具有重要意义。

3.2 GGPPS影响植物果色、果香的形成

3.2.1 果色

类胡萝卜素含量的积累同样影响植物果实着色,而GGPPS基因的时空差异性表达与植物不同组织部位类胡萝卜素含量正相关。桃(Prunuspersica)果实中类胡萝卜素的主要组分是β-胡萝卜素、β-隐黄素、叶黄素和玉米黄素[43]。成熟果果皮类胡萝卜素含量明显高于果肉,同时,PpGGPPS基因也在果皮中具有更高的表达水平,表明PpGGPPS基因在桃果实不同组织部位的表达差异可能是导致类胡萝卜素含量差异的重要原因[44]。MinGGPPS在芒果(Mangiferaindica)成熟果肉中的表达量是青果的5倍左右,随着果实的成熟,果实颜色由绿红转变为黄红,类胡萝卜素含量上升,表明GGPPS基因在芒果果实中参与类胡萝卜素的合成[45]。GGPPS基因和代谢通路上下游相关基因共同表达也能促进合成类葫芦卜素,如在拟南芥中过表达马铃薯(Solanumtuberosum)的DXS基因,导致下游GGPPS基因显著上调表达,从而促进了类胡萝卜素含量的增加[46]。

GGPPS与GPPS形成的异源二聚体能够影响植物类胡萝卜素的形成,番茄果实中GGPPS与SSU-Ⅱ形成异源二聚体来调节GGPP产量的增加,从而使下游类胡萝卜素(番茄红素)含量增加,导致成熟的番茄果实更红[18]。SlG2蛋白(GGPPS异构体)能够与PSY蛋白相互作用催化番茄红素的合成使果实变红,在SlG2突变的果实中类胡萝卜素色素的合成延迟[47-48]。辣椒中GGPPS基因被证实参与辣椒果实成熟期和花发育过程中类胡萝卜素的合成,CaSSUⅡ通过与CaGGPPS1相互作用促进CaGGPPS1酶的活性或与假定的PSY相互作用促进类胡萝卜素的合成,CaSSUⅡ基因的沉默会导致辣椒果实中类胡萝卜素积累被显著抑制[49]。从烟草中鉴定出1个GGPPS基因的小亚基NtSSUⅡ基因,它与编码类胡萝卜素和叶绿素生物合成蛋白的基因高度共表达,还能调控NtGGPPS1和下游的NtPSY1形成多种酶组分参与调节类胡萝卜素的生物合成[11]。因此,GGPPS基因一定程度上能够调控植物果实的色泽变化。

3.2.2 果香

GGPPS基因能够通过促进萜类物质的合成,进而促进植物果实中香气化合物的积累。葡萄(Vitisvinifera)浆果中最重要的芳香化合物是单萜类化合物和类胡萝卜素的裂解产物去甲异戊二烯,在毛葡萄(V.quinquangularis)叶片中瞬时表达VvGGPPS,显著增加了去甲异戊二烯衍生物2,2,6-三甲基环己酮、β-环柠檬醛、香叶丙酮和β-紫罗兰酮的含量,去甲异戊二烯化合物总量也显著上升;在烟草中过表达VvGGPPS基因,使去甲异戊二烯衍生物β-环柠檬醛、1,1,5-三甲基-1,2-二氢萘和β-紫罗兰酮显著增加[50]。上述结果表明,GGPPS基因可以参与类葫芦卜素的裂解产生甲异戊二烯,GGPPS基因对植物果实香味性状改良具有应用潜力。

4 GGPPS基因的转录调控

转录因子是植物色彩形成和香气释放相关功能基因的调控核心,可以通过激活或抑制基因的表达影响植物色香的形成。在色彩层面,已有一些转录因子被报道可以通过调控GGPPS基因的转录来调节植物类胡萝卜素的积累,影响植物颜色形成(图4)。在番茄中,转录因子NOR-like1通过与下游SlGGPPS2基因启动子结合,上调SlGGPPS2基因的表达来调节番茄果实中类胡萝卜素含量的积累和叶绿素的降解,最终导致番茄果实颜色变化[51]。RIN转录因子能够激活GGPPS2、PSY1/2基因的转录活性,从而影响类胡萝卜素的形成,RIN及其突变体SlRIN-MC的表达抑制会使类胡萝卜素水平下降,进而延缓番茄果实着色[52]。FUL1转录因子可以靶标RIN和GGPS2基因,参与番茄类胡萝卜素的生物合成[53]。丹参(Salviamiltiorrhiza)中SmbZIP1通过与GGPPS基因启动子区域中的G-Box元件结合直接抑制GGPPS基因的表达,从而降低了二萜物质丹参酮的含量,过表达SmbZIP1基因会导致丹参毛状根颜色变浅,而敲除SmbZIP1基因则会导致相反的表型[54]。

图4 GGPPS基因的转录调控Fig. 4 Transcription regulation of GGPP

目前尚未发现通过直接调控GGPPS基因来影响植物香气物质合成的转录因子,但与其同属于IPPS家族的GPPS基因能够被MYB转录因子家族成员调控进而影响芳香类化合物的合成。薄荷中MsMYB能够通过与GPPS.LSU基因顺式元件相结合,抑制其表达,在甜罗勒中过表达MsMYB基因能够使α-蒎烯、β-蒎烯等单萜物质的水平下降,而这些单萜物质是重要的香料原料[55]。

5 其他调控GGPPS基因表达的因子

GGPPS基因能够响应激素诱导,GGPPS基因的表达水平在植物的不同部位有所不同。在睡茄(Withaniasomnifera)、曼地亚红豆杉(T.media)中,茉莉酸甲酯诱导能够上调GGPPS基因的表达。番茄中茉莉酸或水杨酸甲酯处理可以诱导叶片中LeGGPS1基因表达。丹参中脱落酸处理显著激活了GGPPS基因的转录水平,水杨酸能够上调丹参叶片中GGPPS基因的表达,而茉莉酸甲酯抑制了GGPPS基因在丹参根、茎、叶组织中的表达。不同非生物胁迫条件也可以调控GGPPS基因的表达。损伤和热处理可以增加睡茄GGPPS基因的表达水平,而冷处理则会下调WsGGPPS基因表达[56]。乌头(Aconitumcarmichaelii)在遭遇非生物胁迫(干旱、低温、物理损伤)时,GGPPS基因的转录呈现上升现象。GGPPS基因对激素和胁迫条件的响应上调表明GGPPS基因可能参与生物和非生物胁迫的调节,在植物防御系统的调节中具有必要的作用。

6 展 望

GGPPS基因的克隆鉴定工作已经在多种植物中开展[57-58],GGPPS是合成挥发性和非挥发性萜类化合物的关键酶基因,并且位于调节MVA/MEP途径碳流的重要节点,GGPPS基因在调控观赏植物颜色、香气观赏性状上发挥着重要的作用,具有一定的应用潜力。GGPPS基因位于调控植物色、香的关键节点,协调不同代谢分支的底物浓度水平,直接或间接参与植物色彩和香气的形成。GGPPS和GPPS基因竞争底物IPP和DMAPP,可能会使植物颜色和香味发生改变。而GGPPS基因促进类胡萝卜素的生物合成,类胡萝卜素含量的积累导致脱辅基类胡萝卜素如β-紫罗兰酮产量的增加,进而调控植物色彩和香气的形成。目前GGPPS基因的功能活性大多依靠蛋白序列比对、表达模式分析和亚细胞定位来预测[59],对其功能的验证还主要集中在模式植物和微生物中[40, 60-63]。围绕GGPPS基因展开植物色彩、香味形成的研究工作具有重要的意义,后续可以在本源植物中验证其功能,探究GGPPS基因在植物色香性状形成中的调控网络模式图。

此外,从GGPPS蛋白功能层面解析其对植物色香性状改良方面同样具有应用价值。基于蛋白结构的酶工程,找到底物结合袋附近残基的活性位点,构建更可靠的突变文库以获得GGPP更高的催化效率和特异性,促进类胡萝卜素的合成,影响植物色素沉着,进而改良植物花色。利用位点定向诱变技术,改变GGPPS蛋白链长控制域特定位点的碱基限制性合成催化产物GPP,促使芳香化合物积累,从而改良植物香气性状。因此,采取基因工程手段改造GGPPS蛋白能够针对性地改变植物观赏性状。另外,已有报道证实了NOR-like1、RIN、FUL等转录因子能够调控GGPPS的转录从而影响植物颜色形成,关于GGPPS基因参与调控植物色香形成的分子机制研究很少,GGPPS基因表达调控的机制还有待深入研究,例如挖掘相关转录因子,揭示GGPPS基因在植物色彩和香味形成中的转录调控机制。因此在未来的研究工作中,应综合基因组学、蛋白组学、转录组学等多组学手段,进一步解析GGPPS基因调控植物色香合成的分子网络,并应用于植物观赏性状的改良工作中。