植物次生代謝產物（secondarymetabolites）是指植物體中一大類並非生長發育所必需的小分子有機化合物，其產生和分布通常有種屬、器官、組織和生長發育期的特異性。植物次生代謝物種類繁多，化學結構迥異，一般可分為酚性化合物、萜類化合物、含氮有機物三大類。在自然資源匱乏和傳統生物技術遇到不可逾越的障礙的情況下，現代生物技術發揮重要的作用。利用基因工程技術，針對提高次生代謝物產量的目的，人們采取不同的策略：如使內源基因超表達或者導入外源異構酶，下遊產物對其沒有反饋抑製或者對底物有更高的親緣關係，從而克服速率限製步驟；在代謝途徑的分支點引入反義基因，阻滯前體向副產物代謝路線流動；降低分解代謝速率；調控基因超表達等。明確植物次生代謝途徑是開展代謝工程的基礎。放射性核素標記、磁共振波譜學、質譜學、X線結晶學、分子標記法等技術的應用，確定植物次生代謝途徑成為了可能和現實。沿著乙酸、甲瓦龍酸、莽草酸3個主要途徑，已經闡明了黃酮、萜類、生物堿等許多次生代謝產物的代謝途徑，並且在代謝工程上取得了成功。
一、黃酮類化合物及其代謝工程
黃酮類化合物是由苯丙烷類化合物衍生得到一大類植物次生代謝產物，它們的15碳骨架可以形成1,3-二苯丙烷碳架（黃酮結構）和1,2-二苯丙烷碳架（異黃酮結構）。盡管1,3-二苯丙烷碳架結構的黃酮化合物在大多數植物中廣泛存在，但1,2-二苯丙烷碳架結構的異黃酮化合物卻主要集中在豆科植物中，另外有少量存在於夾竹桃科（Apocynaceae）、鬆科（Pinaceae）、菊科（Compositae）、桑科（Moraceae）。作為藥用植物中的一類重要化學成分，黃酮類化合物具有多種活性並且毒性較低因而一直備受關注，是代謝工程研究的一類主要目標產物。
目前一些策略已成功用於調控黃酮類化合物的生物合成，如通過表達或反義抑製代謝中的基因，操縱調控基因的表達等，以下著重介紹幾類主要黃酮化合物代謝工程研究情況。
1.花青素
由於根據花色可以很方便的進行遺傳分析，因此對於花青素合成的代謝工程在過去20年中取得了很大進展。通過黃酮類化合物的代謝途徑可以合成花青素（花器官的主要色素），黃酮和黃酮醇以及原花色素。花色素是一類水溶性化合物，其積累使植物的葉或其他器官顯粉紅色至紫色。這類化合物本身並不穩定，在細胞質中合成然後轉運至細胞液泡中經糖基化以糖苷的形式穩定存在。原花色素是黃酮類化合物合成主途徑的另一個副支路的終產物。F3′H、F3′，5′H和FNSⅡ這些酶對花色的形成起著重要作用，它們催化B環羥基化形成深藍花色。在園藝花培中利用突變阻斷F3H、DFR或ANS等作用位點以獲得藍色花色以外的純白花色。同時由於它們的抗氧化活力，提高食品中花青苷和黃酮的含量也是研究的興趣所在。查兒酮異構酶是處於黃酮生物合成途徑前端的關鍵酶，提高其活力可以有效的提高黃酮的含量。超量表達牽牛花chi基因使番茄果皮中的黃酮水平提高了78倍，經過加工後的番茄醬裏的黃酮含量比對照提高了21倍，表明通過提高代謝中關鍵酶的表達活力來提高番茄及其加工產品中有益成分的含量是一個有效的策略。
2.異黃酮類植物抗生素
異黃酮類植物抗生素（isoflavonoidPAs）是利用代謝工程實施改良以提高植物抗性的一類目標化合物。通常觀察到隨著化合物親脂性的增強，其抗菌活性也會增強。因此，許多芳環化的異黃酮具有很強的抵抗病原微生物的活性，而這些化合物的未芳環化的前提物質中則不具備這種活性。對於異黃酮類植物抗生素的代謝工程實施有3種不同的方案。第1種是通過轉基因超表達這類植物抗生素代謝中的基因以增強宿主植物中它們的現有水平從而提高抗病性。第2種是降低真菌對植物中已有抗生素的脫毒能力。另一個可行的方法就是將非宿主物種的植物抗生素基因導入到宿主植物中表達以獲得新類型的植物抗生素，因為許多真菌病原微生物對這些新類型的植物抗生素更為敏感，這可能是它們在代謝中不能對這類新的植物抗生素產生脫毒能力。第3種就是將新的植物抗生素代謝途徑引入到目標植物中。例如，與查爾酮合成酶使用相同底物的二苯乙烯合成酶被引入到煙草中最終合成了植物抗生素resveratrol，從而增強了植株對真菌（Botryticcinerea）感染的抗性。
3.大豆異黃酮
豆科植物中的染料木黃酮和大豆苷是一類存在於食物中具有多種保健功能的重要的異黃酮類化合物。該類化合物天然含量較低，代謝工程的實施將為該類保健品的生產提供廣闊前景。異黃酮合成酶是異黃酮合成的一個關鍵酶,該酶已從大豆和其他豆科植物被分離和克隆出來。在非豆科植物如擬南芥（正常無異黃酮合成）中異位表達異黃酮合成酶基因，其轉基因植株中有大豆苷合成。將異黃酮合成酶基因以及查爾酮還原，酶基因和轉錄因子一起導入植物組織進行表達，在擬南芥、煙草和玉米細胞中都有染料木黃酮或大豆苷合成，從而在一定程度將異黃酮合成的代謝工程領域拓寬到了非豆科的雙子葉與單子葉植物組織中。在擬南芥中異黃酮合成的一個瓶頸存在於黃酮醇合成酶與異黃酮合成酶對共同底物二氫黃酮的競爭。查爾酮合成酶、查爾酮異構酶和黃酮醇3-羥化酶之間可能存在一個天然的複合體，而異黃酮合成酶則很難進入到這個複合體中。該研究表明進一步的相應的遺傳操作應控製異黃酮合成酶與黃酮醇3-羥化酶作用位點的分流。通過反義抑製黃酮醇3-羥化酶從而阻斷通向花青素合成途徑或許是提高異黃酮含量的一個有意義的策略。
4.縮合鞣質