萜类药物是最重要的一类天然产物药物，在自然界中目前已经发现了四万多种萜类药物，其中包括青蒿素、紫杉醇、人参皂甙等大量为人们所熟知的抗癌、抗疟疾、抗心血管疾病和老年痴呆症的药物。
萜类是一种重要的植物次生代谢产物，是植物抵抗病虫害和环境胁迫的一些免疫因子和毒素因子，因此并不能够在自然界中大量获得——因此，通过代谢工程来进行生产就成了显而易见的策略，诸如在微生物底盘中进行的青蒿酸的生物合成：
然而，并不是每一种植物次生代谢产物的合成途径都是明确的，我们通常难以完整的获知整条代谢途径上每一个反应具体的催化酶，此外微生物底盘也经常受许多因素限制而无法准确产生我们想要的代谢产物。
因此，通过植物代谢工程的手段去生产萜类药物是一个重要的课题，目前正在建立的包括地钱、小立碗藓、莱茵衣藻、蓝藻在内的多种植物和藻类底盘也为植物本身生物量的弱势提供了一个突破口。
值得注意的是，植物代谢工程生产的具体形式有以下四种（实际上就是发酵和大田种植两种），通常青蒿、烟草、水稻之类的产物积累在叶片或种子中的采用大田种植的方法，反之人参、小立碗藓等常用发酵的方法，而藻类等甚至可以（需要）采用光发酵。
通过成本较高的发酵培养，可以实现在可控的条件下收获产品，同时生产周期更短。
通常有以下策略被应用在植物代谢工程当中：
- 胁迫诱导因子：模拟自然胁迫，“欺骗”植物产生次生代谢产物，由于要扩大生产规模，因此，通常采用植物内生病原体、易于工业生产的植物激素和重金属盐来作为诱导因子。
- 基因工程（代谢工程）：针对代谢过程中的酶进行基因工程操作，对关键限速酶进行过表达、对竞争性途径进行敲除，亦或将部分途径整体转移到另一植物底盘，都是常见的手段。
- 全局代谢调节：该策略是诱导因子策略的延伸——当我们了解病原体和植物激素、重金属盐究竟是如何影响植物（实际上是如何影响了一些植物的转录因子）之后，我们可以特异性地通过基因工程手段模仿甚至强化这种影响（即过表达一些转录因子或激素合成）；此外，我们还可以整体提高上游代谢的Input来提高下游的Output，在萜类合成中其实就是提高上游的糖酵解水平（或MEP的合成水平）来提高输入萜类异戊二烯合成途径的乙酰辅酶A或DXP（三磷酸甘油醛和丙酮酸）；
在详解这三种策略之前，先让我们来看一下萜类合成的三个主要阶段：
第一阶段，是前体异戊二烯的生成：
第一阶段产生了大量的IPP和DMAPP，且两者之间可以通过IDI酶相互转化。
第二阶段，是萜烯类碳骨架的形成，主要包括C10、C15、C20、C30、C40。
第三阶段是第二阶段产生的一系列线性萜烯类化合物的变构和修饰：
首先，是胁迫诱导因子的一些例子：
生物诱导因子是十分有效的，可以看到，最高的紫杉醇的含量甚至在加入内共生的镰刀菌后提高了38倍；非生物诱导因子包括以无机化合物为主，如硫酸铜，硝酸银等。
①如用氯化镉、硝酸银、氯化铜、氯化汞等可提高穿心莲悬浮培养液中穿心莲内酯的含量。其中氯化镉处理的效果最好，使产量提升了4.2倍。
②利用偏钒酸钠、偏钒酸铵、硫酸镍、硫酸矾、硫酸铜、硫酸锰等重金属盐可诱导人参皂苷合成。其中钒酸盐处理效果最好，使产量提升至5.6mg/g DW。
究其原理是因为钒酸盐处理可诱导内源JA生物合成，上调SQS、角鲨烯环氧化酶（SE）和丹马烯二醇-II合成酶（DS）基因的转录水平。
植物次生代谢途径的复杂性是该策略的主要问题，我们很难获得完整解析的一整条途径以及在敲除某些基因后存在一些未被发现的同工酶的问题。尤其是对于一些难以进行转化的药用植物，将代谢途径转移到植物底盘中进行表达是一种非常重要的策略。
本文部分参考了唐克轩老师2016年的综述文章：
Plant Metabolic Engineering Strategies for the Production of Pharmaceutical Terpenoids
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来源：知乎 www.zhihu.com
作者：且听风吟
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