苯丙烷代谢途径是植物次生代谢的重要途径,其产物包括木质素,类黄酮和其他次生代谢产物。木质素和类黄酮等化合物作为植物细胞壁的重要组成成分,广泛参与植物耐受胁迫的生理过程。因此开展苯丙烷代谢途径中相关酶及其编码基因的功能与应用研究,不仅能够更清晰地认识到相关产物的合成路线,还能够为酶的合理改造、基因表达调控与转基因植物的培育奠定理论基础。川芎（Ligusticum chuanxiong Hort）作为我国中医传统药物中的常用药物和四川省的道地药材,有活血行气、祛风止痛的功效。其中木质素前体物:阿魏酸是其指标成分和主要活性成分。在阿魏酸的生物合成中必须进行两个甲基化步骤,其中咖啡酸-O-甲基转移酶（caffcie acid O-methyltransferase,COMT）作为此途径中重要的甲基化酶,负责丁香基木质素单元的前体芥子醇生物合成中的催化咖啡酸合成阿魏酸的过程。实验室前期还发现COMT不仅可以对苯丙烷底物咖啡酸产生催化作用,还可以对其衍生物咖啡酸甲酯产生催化作用。在实验室前期的研究中已成功解析了川芎咖啡酸-O-甲基转移酶（Ligusticum chuanxiong caffcie acid O-methyltransferase,LcCOMT）的三维晶体结构（LcCOMT/SAM晶体结构与LcCOMT/SAH晶体结构）。本论文以此为基础,对LcCOMT开展理论与应用性研究,为系统认识LcCOMT的功能及酶促反应机制有更深刻的认识。研究成果如下:（1）对拟南芥与川芎等17个不同物种的COMT成员开展基因组学分析,旨在认识COMT的基本结构、系统发育模式与可能的调控机制。结果显示:拟南芥中有17个COMT家族成员,其基因编码300～400个氨基酸,其中甘氨酸和缬氨酸含量偏高;分子量约20 k D,理论等电点均小于7;二级结构中多为α-螺旋和无规则卷曲;系统进化树显示,COMT基因家族基本特征形成于单双子叶植物分离前。17种物种COMT氨基酸的保守基序分析得出10种不同的保守基序,其中motif1,motif2的保守性较高。这将为LcCOMT后续的相关研究奠定理论与技术基础。（2）采用分子模拟方法获得LcCOMT/SAM/caffeic acid与LcCOMT/SAH/ferulic acid的三维结构,并筛选和验证关键氨基酸残基。结果显示:Ser183可能是其关键氨基酸残基,LcCOMT-S183A突变体对咖啡酸的催化活性低于LcCOMT-WT野生型,进而推测Ser与SAH的结合会影响其催化活性。抑制活性实验表明:SAH的逐渐增加会影响突变体蛋白的活性,却不会影响野生型蛋白的活性,表明183位的Ser可能有防止逆反应发生且保护底物正向催化的功能。这部分内容可以帮助我们更清晰地认识到LcCOMT的催化机制。（3）成功设计并优化了含LcCOMT的重组大肠杆菌的全细胞催化合成阿魏酸的摇瓶发酵参数,通过正交实验探究出苯丙烷底物（咖啡酸/咖啡酸甲酯）最佳的参数条件。结果表明,催化咖啡酸合成阿魏酸的最佳参数条件为:诱导时间18 h、IPTG浓度95.32mg/L、诱导温度20℃。催化咖啡酸甲酯合成阿魏酸甲酯的最佳参数条件为:诱导时间16h、IPTG浓度95.32 mg/L、诱导温度30℃。这部分的研究可以为以后LcCOMT重组大肠杆菌的发酵生产提供必要的技数参数,为以后阿魏酸的生产和应用提供一定的研究基础,也为阿魏酸的大规模应用提供了可能性。（4）通过转LcCOMT基因拟南芥的培育,旨在认识LcCOMT基因在植物体内的功能。结果如下:成功构建了p Cambia2301-LcCOMT重组质粒,利用农杆菌介导法转化拟南芥,并获得转基因拟南芥阳性植株。为下一步研究植物抗逆性能和优良育种准备了植物材料并奠定了基础。（5）C3H（对香豆酸酯-3-羟化酶）和COMT作为苯丙酸代谢途径中的关键限速酶,通过C3H,COMT两个基因的融合,得到C3H-COMT的融合蛋白,可大幅度缩短对香豆酸合成阿魏酸的进程,从而提高此途径合成阿魏酸的反应效率。本研究成功构建p ET28a-C3H-COMT融合基因重组表达载体,并对C3H-COMT融合蛋白的表达进行条件探索及优化。此技术可以缩短该反应的进程,从而提高COMT催化合成阿魏酸的效率。