《Current Research in Biotechnology》：Unlocking the industrial potential of apocarotenoids: advances in biosynthesis and heterologous expression
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异源植物遗传转化是一种精准且高效的技术策略，可定向优化具有重要经济价值的脱辅基类胡萝卜素代谢产物的合成效率与产量，这类化合物涵盖色素、香气及风味物质。该生物技术手段通过对代谢通路进行靶向调控，能够显著提升此类商业化相关化合物在食品、化妆品、制药及农业等领域的积
异源植物遗传转化是一种精准且高效的技术策略，可定向优化具有重要经济价值的脱辅基类胡萝卜素代谢产物的合成效率与产量，这类化合物涵盖色素、香气及风味物质。该生物技术手段通过对代谢通路进行靶向调控，能够显著提升此类商业化相关化合物在食品、化妆品、制药及农业等领域的积累水平与稳定性。天然脱辅基类胡萝卜素的提取成本极高，主要受限于植物中目标产物浓度低及栽培过程劳动密集的双重因素。藏红花便是典型代表，按重量计属于全球最昂贵的香料之一。与之类似，大马士革玫瑰（Rosa damascena）花瓣中精油含量极低，严重制约了玫瑰油的生产规模，使其价格居高不下。代谢工程为上述困境提供了极具前景的解决方案，即通过重构异源系统的生物合成途径实现目标产物的增量合成。目前已取得多项突破性成果，包括在大肠杆菌（Escherichia coli）和番茄（Solanum lycopersicum）中成功构建藏红花苷（crocins）的合成通路。此外，β-环柠檬醛（β-cyclocitral）的生物合成策略也取得显著进展，在烟草（Nicotiana tabacum）悬浮细胞培养体系中报道了最高达18000倍的产量提升。与此同时，研究人员正分别以番茄和细菌为底盘平台，探索从番茄红素（lycopene）出发合成红木素（bixin）的可行路径。未来的研究将聚焦于产量优化、生物反应器规模化放大以及工程化脱辅基类胡萝卜素的结构多样性拓展。深入解析调控网络并解决色素稳定性问题同样至关重要。总体而言，脱辅基类胡萝卜素工程代表了生物技术领域的动态前沿方向，有望以可持续的方式重塑工业作物生产的现有格局。
引言
类胡萝卜素是一类必需的类异戊二烯代谢产物，广泛存在于所有光合生物及部分非光合微生物（如细菌和真菌）中。该类分子作为发色团，赋予花与果实从红色到黄色的多样呈色特征。在光合生物中，类胡萝卜素承担光保护与单线态氧清除等关键生理功能，相关研究已较为深入。此外，类胡萝卜素在植物发育与代谢通路中具有基础性地位，是脱辅基类胡萝卜素的必需前体——后者是一类结构多样、生物活性显著的次级代谢产物，可通过酶促或非酶促降解途径生成。类胡萝卜素裂解双加氧酶（Carotenoid Cleavage Dioxygenases，CCD）家族在脱辅基类胡萝卜素的形成过程中发挥核心调控作用，其底物灵活性与裂解特异性在很大程度上决定了脱辅基类胡萝卜素的化学多样性。单一CCD酶即可从单一类胡萝卜素前体产生多种脱辅基类胡萝卜素化合物，也可从不同类胡萝卜素前体生成结构相似的产物。现有研究表明，脱辅基类胡萝卜素在植物系统中具有功能多样性，包括作为呈色剂、挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）、生长调节因子及信号分子等，参与多种生物学活动。其中部分脱辅基类胡萝卜素在香精香料、食品、化妆品及制药等产业中具有重要商业价值，如紫罗兰酮（ionones）、大马士酮（damascones）和β-大马烯酮（β-damascenone）等挥发性分子，被广泛用作调味剂及香水配方的关键组分。红木素和藏红花苷是两种重要的脱辅基类胡萝卜素色素，因其优异的着色性能被应用于食品、化妆品及纺织工业。同时，该类分子的脱辅基类胡萝卜素属性使其在制药领域极具吸引力，表现出显著的生物活性潜力。
类胡萝卜素裂解双加氧酶：调控脱辅基类胡萝卜素生物合成与多样性
植物中类胡萝卜素的前体由甲基赤藓糖醇磷酸（Methylerythritol Phosphate，MEP）途径合成，该途径发生于质体中，为叶绿体与有色体中的类胡萝卜素合成提供全部前体。类胡萝卜素生物合成途径已有大量文献报道，涵盖进化历程、酶促反应机制及生物合成与降解的调控网络。脱辅基类胡萝卜素的生物合成始于关键类胡萝卜素前体的特异性氧化裂解，常见底物包括β-胡萝卜素、叶黄素、番茄红素、玉米黄质、α-胡萝卜素和β-隐黄质。该裂解过程主要由CCD催化完成，这是一类非血红素铁（II）依赖性酶，可特异性切割类胡萝卜素骨架中的特定双键，生成结构多样的脱辅基类胡萝卜素。CCD的结构特征在不同亚家族间高度保守，这一特性为在拟南芥（Arabidopsis thaliana）、玉米（Zea mays）、水稻（Oryza sativa）、烟草（Nicotiana tabacum）、番茄（Solanum lycopersicum）、葡萄（Vitis vinifera L.）、藏红花（Crocus sativus）、白屈菜（Chelidonium majus）、咖啡（Coffea arabica）及向日葵（Helianthus annuus）等多种植物中鉴定CCD家族成员提供了可能。该双加氧酶家族可分为两组：第一组包含CCD1、CCD2、CCD4、CCD7、CCD8、CCD10及zaninone合酶（Zaxinone Synthase，ZAS）；第二组为9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶（9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase，NCED），包含NCED2、NCED3、NCED5、NCED6和NCED9五个成员，主要参与脱落酸（Abscisic Acid，ABA）前体黄质醛（xanthoxin）的形成。本综述重点关注CCD组，探讨其底物偏好性及裂解产生的核心脱辅基类胡萝卜素。CCD1为胞质定位酶，偏好在9,10（9′,10′）位点切割类胡萝卜素，主要产物为C13脱辅基类胡萝卜素（如β-紫罗兰酮、伪紫罗兰酮、α-紫罗兰酮、β-大马烯酮）和C14二醛，部分CCD1亚家族成员也可在5,6（5′,6′）位点发生裂解。CCD2和CCD4亚家族成员定位于质体，同样偏好在9,10（9′,10′）位点切割类胡萝卜素，但部分成员也被证实可在5,6（5′,6′）和7,8（7′,8′）双键处裂解，生成包括挥发性与非挥发性化合物、色素及信号分子在内的C13、C14、C27和C30脱辅基类胡萝卜素，具有多样的功能与工业应用潜力。CCD7与CCD8协同作用，二者均定位于质体并参与独脚金内酯（Strigolactones，SL）的生物合成——该类植物激素可调控茎分枝、根系构型及非生物胁迫响应等多种生理过程。CCD7在9,10双键处裂解生成9-顺式-β-阿朴-10′-胡萝卜醛，随后CCD8将其转化为独脚金内酯前体carlactone。CCD10亚家族是新近确认的CCD家族成员，可切割类胡萝卜素的5,6（5′,6′）和9,10（9′,10′）双键，参与多种挥发性有机化合物的生成，且具有较高催化活性。ZAS亚家族则特异性切割C27脱辅基类胡萝卜素阿朴-10-玉米黄质醛（apo-10-zeaxanthinal）的13,14双键，生成zaninone。
植物中的脱辅基类胡萝卜素
脱辅基类胡萝卜素属于植物次级代谢产物大类，构成了植物用于生存、适应及与生物和非生物环境互作的精密生化武器库。这类代谢产物虽不参与基础初级代谢，但在防御、胁迫耐受、呈色、信号转导及生态互作中不可或缺。脱辅基类胡萝卜素凭借其结构多样性与多功能性脱颖而出，可作为色素、挥发性有机化合物、激素及信号分子发挥作用。其通过严格调控的类胡萝卜素酶促裂解形成，凸显了次级代谢作为植物生理学与环境适应性动态界面的进化重要性，也印证了其生物学与工业层面的双重价值。类胡萝卜素骨架中存在的大量双键是脱辅基类胡萝卜素分子多样性的结构基础。此外，这些分子并非仅为简单降解产物，裂解后还可经历氧化、糖基化、甲基化或酰基转移等修饰，获得不同化学构象，进而具备多样的生物功能。植物中的脱辅基类胡萝卜素包括脱落酸和独脚金内酯等激素，二者在植物发育及生物与非生物环境刺激响应中的功能已得到充分验证。部分环状与非环状脱辅基类胡萝卜素还在胁迫感知与逆行信号通路中发挥重要作用，如β-环柠檬醛（干旱耐受）、β-紫罗兰酮、α-紫罗兰酮和loliolide（植食耐受）、blumenols和mycorradicins（丛枝菌根共生）、anchorene和zaninone（植物发育与寄生控制）。另一类脱辅基类胡萝卜素包含色素与挥发性化合物，决定花、果实及部分蔬菜的色泽、风味与香气，作为视觉与挥发性信号介导植物-植食者互作，尤其影响植物-传粉者相互作用。重要色素如红木素、藏红花苷和β-柠乌素分别在红木（Bixa orellana）种子、藏红花柱头及柑橘（Citrus）果皮中大量积累。α-紫罗兰酮、β-紫罗兰酮、β-环柠檬醛、β-大马烯酮和6-甲基-5-庚烯-2-酮（6-methyl-5-hepten-2-one，MHO）是最常见的植物香气贡献成分。这些色素与挥发性化合物不仅对植物具有重要意义，也具备显著的商业与工业应用价值。
脱辅基类胡萝卜素在现代工业应用中的经济意义
脱辅基类胡萝卜素因其在食品、化妆品、制药及农业等多领域的广泛应用受到持续关注。人工合成染料已被证实存在严重健康风险，包括诱发过敏与致癌，甚至可能与儿童注意力缺陷/多动障碍（Attention Deficit/Hyperactivity Disorder，ADHD）的行为症状相关。因此，市场对天然替代物的需求持续增长，类胡萝卜素与脱辅基类胡萝卜素因其天然来源与积极健康效应成为最具潜力的选择。基于其多样的应用场景，多种脱辅基类胡萝卜素已具备显著的工业重要性。藏红花苷与红木素是食品工业中应用最广的两类植物源色素。藏红花苷源自藏红花柱头，广泛用于乳制品、烘焙食品、酱料、汤品、米饭及饮料的橙黄色着色，藏红花也因此成为全球最昂贵的香料，价格可达40-50美元/克，全球年产量约418吨，种植面积约121338公顷。红木素源自红木种子，常作为天然食品着色剂用于奶酪、黄油及其他油基产品的橙红色着色，占红木种子总色素含量的80%。随着天然产物的应用浪潮兴起，红木素对全球类胡萝卜素市场的贡献日益显著，红木原料约占全球类胡萝卜素市场的11.8%，全球年产量约14500-17000吨，价格可达141美元/千克。除呈色功能外，香气与风味是食品、饮料及化妆品/香精行业的核心要素。部分脱辅基类胡萝卜素因独特的香气与风味特征被广泛应用，如α-紫罗兰酮与β-紫罗兰酮是葡萄酒香气轮廓的核心组分，也因甜润的木质/果香花香调被用于装饰性化妆品及家居清洁剂等非化妆品领域，其中β-紫罗兰酮的工业产量约为4000-8000吨/年，且需求仍在快速增长。大马士酮异构体（α-大马士酮、β-大马士酮）与大马烯酮异构体（β-大马烯酮、α-大马烯酮、γ-大马烯酮）存在于大马士革玫瑰油中，尽管仅占玫瑰油化合物总量的不到1%，却在极低浓度下主导整体香气特征，提供融合果香与花香的感官体验，被广泛应用于香精/化妆品及非化妆品工业。大马士革玫瑰产品的市场需求逐年攀升，但由于固有的低出油率、短花期及高劳动力投入，全球玫瑰油产量仅能满足约一半的市场需求，价格已升至近7500美元/千克，年产量约4.5吨。藏红花中也存在类似现象，高强度的生产成本显著推高其市场价格。藏花醛（safranal）是藏红花辛辣特征香气的主要来源，同时其抗氧化、保湿与抗光老化特性使其在皮肤科化妆品工业中极具价值，被用于防晒制剂的配方开发。藏红花苷与藏花醛源自同一代谢通路，高效液相色谱（High-Performance Liquid Chromatography，HPLC）分析显示，藏红花苷与藏花醛的最佳回收率分别为32.67% w/w和91.76% w/w。除呈色剂与香气成分外，脱辅基类胡萝卜素因多样的生物活性（包括抗氧化、抗炎、神经保护与抗癌特性）在制药领域受到越来越多的关注。传统植物学知识与现代化学、分子生物学及生物技术方法的系统整合，推动了该类化合物从传统医药与食品体系向标准化高价值治疗药物的转化，实现了民间智慧与现代生物医学创新的衔接。然而，由于脱辅基类胡萝卜素在植物中丰度极低，寻找最优提取参数以实现规模化制备始终面临挑战，高昂的提取成本限制了其商业化进程。代谢工程通过将代谢通路整合至宿主生物（主要是细菌、真菌和酵母等微生物）中，为降低生产成本提供了高效替代方案。
通过代谢工程推进脱辅基类胡萝卜素生产
通过代谢工程推进脱辅基类胡萝卜素生产是当前的研究热点，这主要归因于天然来源中该类化合物的细胞积累量极低，严重制约了其工业应用。代谢工程通过将生物合成途径导入异源宿主（主要包括细菌、真菌和酵母等微生物）克服了传统植物提取成本高、产量受限的瓶颈，具体策略包括操纵脱辅基类胡萝卜素生物合成途径中的基因与酶，以提升代谢通量、改善前体可用性、降低反馈抑制并最终增强产物稳定性与产量。例如，藏红花苷生物合成途径的完全解析使研究人员能够在细菌、酵母和植物等多种宿主中实现其合成。早期在大肠杆菌中的成功案例构建了完整的藏红花苷合成通路，整合了来自藏红花的CsZCD与CsCCD2基因、来自枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的糖基转移酶以及来自粗糙脉孢菌（Neurospora crassa）的ALD8基因，最终生成藏红花酸（crocetin）与藏红花苷-5。高价值脱辅基类胡萝卜素（如藏红花苷）的植物系统合成也取得了突破，包括在本氏烟草（Nicotiana benthamiana）和番茄果实中实现的工程化合成，其中来自红木的BoCCD4-3可高效合成藏红花苷。这些成果证实了代谢工程在建立可持续、低成本脱辅基类胡萝卜素生产平台方面的巨大潜力。传统的植物基质脱辅基类胡萝卜素提取技术已在溶剂优化、辅助提取技术及绿色加工工艺等方面取得显著进展，但受限于该类化合物固有的低丰度、组织特异性积累、化学不稳定性及高生产成本，工业回收效率仍难以满足大规模需求。这凸显了基于提取的策略所面临的内在局限，也解释了为何代谢工程与异源表达系统正成为更具可持续性与可控性的替代方案——该类技术可对生物合成途径进行精准操控，摆脱农业生产变异性对产物积累的影响。番茄（Solanum lycopersicum）是脱辅基类胡萝卜素生物合成基因异源表达的理想模式系统，这得益于其高类胡萝卜素含量、丰富的转基因或单基因突变体资源（可调控类胡萝卜素积累）。番茄拥有完整的基因组序列、基因表达数据集、代谢物谱及小RNA资源，且可通过化学诱变或成簇规律间隔短回文重复序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR）诱变获得突变体库。此外，番茄CCD基因家族已完成功能表征，且果实不同发育阶段的类胡萝卜素与脱辅基类胡萝卜素谱已被系统解析。果实特异性启动子（如E8和p2A11）的应用是代谢工程的关键策略，可实现基因的时空调控表达，避免多效性效应。
有价值脱辅基类胡萝卜素的植物来源
植物是脱辅基类胡萝卜素的主要天然生产者，但其分布存在显著的物种、组织与发育阶段差异，且积累过程受严格的代谢与转录调控。筛选天然高积累有价值脱辅基类胡萝卜素的植物物种，对解析生物合成途径与指导可持续规模化生产的代谢工程实践具有重要意义。代表性物种包括红木（B. orellana）、藏红花（C. sativus）、大马士革玫瑰（R. damascena）及多种柑橘（Citrus）物种，分别生物合成并储存红木素、藏红花苷、β-大马士酮和β-柠乌素等高经济价值脱辅基类胡萝卜素。本节将讨论CCD生物合成与异源表达的最新进展，强调开发稳健异源生产高价值脱辅基类胡萝卜素策略的必要性，重点关注不同生产平台的优势与局限，以及该类化合物面临的内在挑战，阐明途径解析、酶优化与宿主选择对成功实现异源生产的重要性。
红木（Bixa orellana L.）
红木是速生的新热带多年生乔木，属于红木科（Bixaceae）红木属，是唯一被栽培的物种，在工业上具有重要地位，其种子可大量合成红木素——食品工业中应用最广的着色剂之一。除着色功能外，红木素还具备抗氧化、抗炎、抗菌及潜在的抗癌特性。全球对该色素的需求极为旺盛，但红木的遗传改良受限于一个核心瓶颈：红木素生物合成途径尚未被完全解析。早期研究通过差减cDNA文库表达序列标签（Expressed Sequence Tag，EST）分析，推测CCD、乙醛脱氢酶（Aldehyde Dehydrogenase，ALDH）和甲基转移酶（Methyltransferase，MET）/水杨酸苯甲酸可可碱合酶（Salicylic Acid Benzoic Acid Theobromine synthase，SABATH）家族的某些基因参与该途径：番茄红素作为主要前体，经BoCCD在5,6（5′,6′）键处裂解，释放两分子MHO与一分子红木素醛，后者经ALDH氧化生成降红木素，再经SABATH甲基化最终形成红木素。后续研究通过细菌系统异源表达候选基因并结合HPLC分析验证了这些酶的参与，但该结果尚未被其他研究团队重复。近期红木种子与叶片的转录组研究提出了可能参与该途径的新基因，共鉴定到9个推定CCD蛋白，其中4个属于亚家族1，5个属于亚家族4。由于亚家族1成员定位于胞质，研究者提出了红木素合成的两种假说模型：一是全程发生于质体且仅质体定位的CCD4参与；二是第一步裂解的中间产物在质体中生成后转运至胞质，由CCD1进一步催化。相关研究仍在持续推进，重点是通过异源系统表征这些酶的功能以明确其在红木素生物合成中的作用。红木是多年生植物，果实可连续收获多年（最长可达20年），但生长周期缓慢，需3-4年才能获得首批种子收获，且种内遗传变异度高，不同种质与栽培品种的红木素含量差异显著，导致工业生产的标准化难度较大。此外，红木素含量受气候与土壤条件的显著影响，波动范围为1%-6%。巴西作为红木主产国，气候变化正导致适宜种植区缩减，长期（2081-2100年）影响尤为显著。红木的体外培养技术已实现红木素诱导，但主要局限在于红木素由种子假种皮的特化细胞合成，尽管其他器官也有积累，但含量远低于成熟种子，且未分化组织的红木素积累在长期继代培养中不稳定。鉴于全球需求的持续增长，解析红木素生物合成途径是实施代谢工程技术、实现比传统种植更高效稳定生产的核心前提。
藏红花（Crocus sativus）
藏红花是鸢尾科（Iridaceae）的多年生草本单子叶植物，其柱头干燥后即为藏红花香料，因风味、香气、色素及药用价值被广泛栽培。藏花醛、藏红花苷、藏红花酸（crocetin）与苦藏红花苷（picrocrocin）是藏红花中主要的脱辅基类胡萝卜素，共同构成其核心价值。藏红花中类胡萝卜素/脱辅基类胡萝卜素生物合成相关基因的表达具有组织特异性，集中于柱头且与发育进程相关，在花芽分化期上调，在顶芽发育期达到峰值。藏红花的脱辅基类胡萝卜素生物合成途径研究最为深入，得到了转录组、蛋白质组与功能基因组学的多重验证，关键酶、调控机制及途径发生的多亚细胞区室均已被阐明。简要而言，该途径起始于β-胡萝卜素经β-环胡萝卜素羟化酶（β-ring carotene hydroxylase，BCH）羟基化生成玉米黄质，随后CsCCD2在7,8-7,8′双键处切割玉米黄质，生成两个关键中间产物：3-羟基-β-环柠檬醛（3-OH-β-cyclocitral）与藏红花酸二醛——后者是藏红花苷的直接前体。藏红花酸二醛经CsALDH3I1脱氢生成藏红花酸，再经CsUGT74AD1糖基化形成水溶性稳定的藏红花苷糖苷，即藏红花的特征黄色呈色剂。藏红花苷根据糖基（β-D-葡萄糖基与β-D-龙胆二糖基）的数量与位置分为五种形式（藏红花苷-I至藏红花苷-V）。与此同时，3-羟基-β-环柠檬醛经UGT709G1糖基化生成苦藏红花苷，该糖苷是藏花醛的前体，在藏红花柱头干燥、加工与储存过程中经去糖基化反应生成藏花醛，构成藏红花的特征香气。藏红花脱辅基类胡萝卜素自然生产的核心挑战在于原料供应不足。藏红花收获依赖人工剥取柱头，尚无机械系统可兼顾效率与操作精度。每磅藏红花柱头需处理约75000朵花，耗时约200人工小时，使其成为单位重量价格最高的香料之一。除劳动力密集型收获方式外，气候变化也构成严重威胁，藏红花球茎萌发、成花启动与开花时间直接受田间管理、降水、温度与降雨模式的调控，极端气候波动会显著降低产量与品质。研究显示，在RCP4.5气候情景下，2026-2050年期间伊朗东部地区的藏红花产量预计下降8%。尽管温室环境控制栽培、无土栽培（如水培与气雾培）及体外繁殖等技术已逐步应用，但利用功能基因组学与生物信息学开展生物技术育种与分子改良，仍是提升藏红花及其异源宿主中代谢产物产量的根本策略。鉴于藏红花苷的重要工业价值，筛选高效异源宿主以提升产量、降低成本已成为研发焦点。由于该代谢途径已被完全解析，大肠杆菌、酵母与植物等多种宿主已被用于藏红花脱辅基类胡萝卜素的代谢工程合成。微生物系统的研究进展显示了从途径原型构建到产量提升的演化过程：早期在微藻中的尝试验证了途径的可行性，随后酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的重构将藏红花酸产量提升至毫克/升水平，但糖基化步骤仍存在瓶颈。大肠杆菌中完整藏红花苷途径的重建是重要里程碑，通过使用枯草芽孢杆菌来源的糖基转移酶替代植物内源糖基转移酶，藏红花苷V与藏红花苷III的产量达到476.8毫克/升，证明了用功能兼容的微生物酶替代低效植物酶是途径工程的关键策略。植物异源系统同样取得了突破性进展，本氏烟草通过病毒表达系统瞬时表达藏红花CCD基因，结合其他类胡萝卜素合成酶的共同表达，可将藏红花苷积累量提升至2.18±0.23毫克/克干重，苦藏红花苷达8.24±2.93毫克/克干重，显著优于传统农杆菌浸润法。烟草属（Nicotiana）的稳定转化植株也实现了藏红花苷的积累，其中转基因光烟草（Nicotiana glauca）叶片积累量为0.4毫克/克干重，普通烟草（Nicotiana tabacum）为0.036毫克/克干重，共同表达多个途径基因可使产量提升3.5倍。近期开发的烟草BY-2细胞与本氏烟草细胞悬浮培养系统实现了更高的藏红花苷积累（分别为0.75毫克/克与0.30毫克/克），且生产周期缩短、重复性更好，适合生物反应器放大。番茄是目前已报道的最高产异源平台，利用果实特异性启动子（如E8）表达藏红花基因，避免了生长发育的多效性影响。Tomaffron稳定株系在果实中积累了14.48±0.18毫克藏红花苷与2.42±0.06毫克苦藏红花苷，显著高于烟草系统。通过与高积累玉米黄质的Xantomato品种杂交，藏红花苷与苦藏红花苷的产量可进一步提升至Tomaffron的15倍与14倍。此外，筛选高催化效率的CCD2等位基因也是提升产量的有效策略，通过RNA干扰限制玉米黄质向紫黄质的转化，表达CsCCD2L的番茄株系藏红花苷积累量可达4.7毫克/克干重。相比之下，微生物系统虽具备易操作、易放大的优势，但产量仍处于毫克/升级别，主要受限于植物来源酶（尤其是糖基转移酶）的功能缺失、亚细胞区室化缺失及类胡萝卜素前体代谢通量不足。
大马士革玫瑰（Rosa damascena）
大马士革玫瑰原产于欧洲、摩洛哥、高加索及中东地区（包括伊朗与土耳其），属于蔷薇科（Rosaceae），花瓣颜色从纯白色到洋红色不等，是玫瑰精油生产的主力物种。花瓣中精油含量极低，242000片花瓣仅能提取约5毫升纯化玫瑰油，使其成为全球最昂贵的精油之一。除香精香料工业应用外，大马士革玫瑰还具有抗菌、抗HIV、抗氧化、降血糖与心血管保护等药用价值。β-大马烯酮、β-大马士酮与β-紫罗兰酮是玫瑰油特征香气的核心贡献成分，尽管仅占化合物总量的不到1%，却在极低浓度下主导香气轮廓。这些C13脱辅基类胡萝卜素源自β-胡萝卜素降解。RdCCD1与RdCCD4均可催化β-胡萝卜素合成β-紫罗兰酮，但二者底物特异性存在显著差异。RdCCD1通过在9,10双键处切割β-胡萝卜素生成β-紫罗兰酮，且该酶具有底物混杂性，可切割多种类胡萝卜素与脱辅基类胡萝卜素，生成不同的产物。相比之下，RdCCD4几乎不直接切割β-胡萝卜素，而是对β-阿朴-8′-胡萝卜醛具有更高亲和力，间接合成β-紫罗兰酮，这一特性与拟南芥AtCCD4相似。值得注意的是，RdCCD4与AtCCD4的基因结构中均无内含子，呈现相似的遗传架构，而苹果（Malus domestica）与菊花（Chrysanthemum morifolium）的CCD4基因含有内含子。推测这种结构差异源于进化选择压力，可能与胁迫响应下的转录本快速剪接需求相关，类似拟南芥NCED基因的无内含子结构与其胁迫调控特性。RdCCD4的确切生物学功能尚待阐明，但其在花瓣中的高表达提示其可能参与花发育调控。β-大马士酮与β-大马烯酮的生物合成均以RdCCD1的催化产物为基础。β-大马士酮可由β-紫罗兰酮经氧化、Meyer-Shuster重排与脱水反应生成。β-大马烯酮在玫瑰花瓣中不以游离态天然积累，被认为是精油蒸馏过程的产物，其前体源自类胡萝卜素裂解：RdCCD1切割新黄质（neoxanthin）的9,10与9′,10′双键生成Grasshopper酮，随后还原为Grasshopper醇，经Meyer-Shuster重排形成烯醇化羟基酮，最终脱水生成β-大马烯酮。玫瑰精油提取面临多重挑战：精油占花瓣鲜重的0.03%-0.1%，需大量原料才能获得足量产品；产量与品质受气候条件影响显著
