萜类是一类重要的天然有机化合物，在植物的各种生理活动中起着重要的作用。虽然自然界萜类化合物种类数量巨大，但是其都是由基本结构单元异戊二烯(C5)组成。根据萜类含有的异戊二烯单元数量的不同，萜类可分为单萜(C10)，倍半萜(C15)，二萜(C20)，二倍半萜(C25)等。生成萜类的前体是不同长度的直链异戊烯基焦磷酸。它是由异戊烯基转移酶，将异戊烯基焦磷酸脂(isopentenyl diphosphate，IPP)和与丙烯基受体通过1-4位置的缩合(condensation)生成的。其产物包括牻牛儿基焦磷酸(geranyl pyrophosphate，GPP，C10)，法尼基焦磷酸(farnesyl pyrophosphate，FPP，C15)，牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸(GGPP，C20)等。根据产物长度的不同，异戊烯基转移酶可分为短链异戊烯基转移酶(C10-C25)，中链异戊烯基转移酶(C30-C45)和长链异戊烯基转移酶(＞C45)。这些酶催化生成的不同长度的直链异戊烯基焦磷酸是萜类化合物结构多样性的基础。因此研究异戊烯基转移酶产物链长决定机理对于萜类化合物多样性以及其体内代谢功能的研究有着重要的意义。　　拟南芥中有17种异戊烯基转移酶，其中10种属于短链异戊烯基转移酶，人们将之命名为AtGGPPS1-4/6-11。本文通过体内互补实验和体外酶活实验发现，在这些短链异戊烯基转移酶中，AtGGPPS1-4、11催化生成GGPP，而AtGGPPS6、7、9和10主要催化生成GFPP(Geranylfarnesyl diphosphate synthase，C25)，AtGGPPS8的主要产物则是更长链的异戊二烯焦磷酸(≥C30)。通过解析AtGGPPS7、8、11蛋白的三维结构以及突变体酶活检测，我们揭示了拟南芥短链异戊烯基转移酶的产物链长决定机理，并将其命名为“three-floors”模型。利用这一模型，我们成功预测并鉴定了在十字花科植物中存在的一大类保守的GFPPS，并且发现GFPPS经常与TPS在基因组里成簇出现。这一发现为进一步研究GFPPS参与的植物体内萜类代谢与功能提供了重要方向。　　异戊烯基转移酶在体内通常形成同源二聚体发挥催化功能，在本论文的第二部分，我们发现并鉴定了水稻中一个由大亚基OsGGPPS2和Ⅱ型小亚基OsSSU组成的异源二聚体GGPPS。体外pull-dwon及体内BiFC实验证实OsGGPPS2能与OsSSU相互作用形成复合体，该复合体形成并不改变OsGGPPS2的酶活。通过解析OsGGPPS2-OsSSU异源二聚体和OsGGPPS2同源二聚体的晶体结构，并比较其结构的差异，我们提出了OsSSU丧失异戊烯基转移酶酶活的可能分子机理;通过OsGGPPS2-OsSSU的亚细胞定位实验及突变体pull-dwon实验，我们证明了OsSSU的功能为协助OsGGPPS2定位到类囊体，并提出了叶绿体内GGPP代谢途径的调控模型。　　本项工作通过解析不同短链异戊烯基转移酶的结构，阐明了植物短链异戊烯基转移酶产物链长决定机理，并提出了决定产物链长的“three-floors”模型;利用该模型，我们首次在植物中发现并鉴定了一类GFPPS。此外，在论文第二部分我们通过解析水稻异源二聚体型OsGGPPS2-OsSSU和同源二聚体型OsGGPPS2的两种结构，以及一系列遗传和生化分析，阐明了OsSSU的作用机理是通过改变OsGGPPS2的定位调控其生理功能的分子机理。这些研究结果，对于深入理解植物萜类化合物的代谢过程、调控机制以及进化具有重要意义。