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论 文 第 52卷 第 1期 2007年 1月
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NCED3基因的持续诱导及 ABA合成与代谢的协同调控
在拟南芥 ABA信号积累中的作用
任慧波* 范意娟* 魏开发* 高志晖 李桂芬 刘 静 李冰冰
胡建芳 贾文锁†
(中国农业大学农学与生物技术学院, 植物生理生化国家重点实验室, 北京 100094. * 同等贡献. † 联系人, E-mail: jiaws@cau.edu.cn)
摘要 ABA作为逆境信号在植物抗逆特别是抗旱中起着重要的作用. 由于 ABA生物合成是 ABA信号
产生的根本基础, 因此ABA合成关键酶基因NCED3的启动一直被认为是操纵ABA信号产生的惟一机
制. 本研究报道了ABA信号累积中ABA代谢和合成的协同操纵机制. 结果表明, 水分胁迫可导致拟南
芥叶片中 ABA水平急剧增加, 且在长期干旱胁迫情况下, ABA累积的最高水平始终处于一个相对稳定
的状态. 无论是胁迫还是非胁迫状态下, ABA代谢都呈现指数递减规律, 且其代谢的半衰期没有太大的
变化, 这意味着干旱条件下 ABA的绝对代谢速率将随 ABA水平上升而急剧加快, 由此可以推断 ABA
信号的产生是一个由多酶共同操纵的系统控制, 且NCED3的持续诱导是ABA信号稳定积累的前提. 进
一步研究表明, 干旱可诱导一系列 ABA合成酶的基因表达, 其中包括 NCED3, AAO3和 ABA3等. 伴随
ABA的持续积累, NCED3, AAO3和 ABA3的基因始终处于诱导表达状态. ABA代谢研究和基因表达分
析结果相互印证, 共同揭示ABA信号的产生机制是一个由多酶共同参与, 且以ABA合成关键酶基因持
续诱导为前提的操纵机制, 其中 ABA代谢在 ABA信号的操纵中起着重要的作用.
关键词 ABA代谢 ABA积累 NCED3 水分胁迫 拟南芥

2006-10-30收稿, 2006-12-13接受
国家重点基础研究发展计划(编号: 2003CB114300)和国家自然科学基金(批准号: 30470160)资助项目
脱落酸(abscisic acid, ABA)不仅可以作为细胞信
号, 而且还可以作为系统逆境信号, 在植物抗逆性特
别是抗旱中起着关键的作用[1~5]. ABA 之所以能够作
为逆境信号, 其根本原因在于干旱可以诱导 ABA 的
大量积累, 或者说, 干旱诱导 ABA 积累的问题也就
是 ABA信号的起源问题. 因此揭示 ABA信号起源的
机制或者说研究干旱诱导 ABA积累的机制是整个植
物抗旱理论研究中最重要的问题之一.
近年来围绕 ABA生物合成的分子机理开展了大
量研究, ABA 生物合成路径中的主要步骤和酶都较
为清楚. ABA 生物合成路径中的酶主要包括玉米黄
质环化酶(zeaxanthin epoxidase, ZEP), 9-顺式-环氧类
胡萝卜素双氧合酶(9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase,
NCED), 短链脱氢 /还原酶 (a short-chain dehydro-
genase/reductase, SDR), ABA醛氧化酶(ABA aldehyde
oxidase, AAO)和钼辅硫化酶 (molybdenum cofactor
sulfurase, MCSU). 研究表明, ABA 合成的类胡萝卜
素前体, 即 9-顺式-紫黄质(9-cis-violaxanthin)和 9′-顺
式新黄质(9′-cis-neoxanthin)的含量要比 ABA 高 200
倍左右, 故可称之为‘类胡萝卜素前体库[6~8], 因而催
化类胡萝卜素氧化裂解的酶 NCED被认为是 ABA生
物合成的限速酶.
对蚕豆、番茄、豇豆和拟南芥等植物的研究表明,
ABA 合成限速酶 NCED 基因可被干旱胁迫强烈诱导,
且 ABA 累积在时间上稍晚于 NCED 的诱导, 表明
NCED可能是操纵干旱诱导 ABA积累的关键酶[9~11].
研究人员在 ABA生物合成研究不断取得重大进展的
同时却大大忽视了对 ABA 代谢的研究. 众所周知,
酶促反应是以酶和底物的直接接触为前提的. 研究
表明, ABA和 ABA代谢酶在组织和细胞中是严格区
隔化的[12~13], 而且非胁迫条件下的 ABA (以下统称
基础 ABA)和胁迫条件下新积累的 ABA (以下统称逆
境 ABA)在组织和细胞水平上的区隔状况也是不同
的[14~15], 因此,基础 ABA和逆境 ABA是否具有相同
的代谢速率还不清楚 , 或者说 , 不清楚干旱条件下
ABA的代谢速率究竟会发生什么样的变化.
ABA 作为逆境信号应该赋予两个基本特征, 一
是 ABA 信号的产生速率, 二是 ABA 信号的强度.







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ABA信号的产生速率和ABA积累的启动机制密切相
关, 而 ABA信号的强度则和 ABA累积的水平直接相
关. 由于一直无法准确测定 ABA 的代谢速率, 所以
一般传统地认为 ABA 的代谢速率很慢, 干旱不影响
ABA代谢或甚至导致 ABA代谢速率下降[16~19]. 基于
这一观点, NCED基因的诱导不仅是启动ABA积累的
直接因素, 而且也是操纵 ABA 积累强度或者说操纵
ABA 信号强度的惟一因素. 这是因为, 在逆境 ABA
代谢速率不变甚至变慢的情况下, ABA 合成路径中
所有其他步骤的酶促反应无需加快 , 而只要 NCED
持续启动, ABA 即可持续积累, 因此 ABA 积累的程
度或者说 ABA信号的强度将完全取决于 NCED基因
诱导持续的时间. 相反, 如果说逆境 ABA 的代谢速
率大大高于基础 ABA, 那么 ABA的积累则应受到一
系列酶促反应步骤的协同加速的控制, 而 ABA 积累
的水平将和 NCED 更上游的酶促反应速率密切相关.
以上分析表明, 对基础 ABA和逆境 ABA代谢速率的
测定和分析, 直接关系到对 ABA 信号的启动和强度
操纵机制的剖析, 因此在 ABA 逆境信号的研究中具
有特殊的意义.
采用同位素示踪技术结合免疫分析技术 , 本研
究首先建立了拟南芥叶片中基础 ABA 代谢速率的测
定方法, 并通过 NCED药理学阻断方法, 成功建立了
逆境 ABA代谢速率的测定方法. 基于 ABA合成与代
谢的动态分析, 对 ABA积累和 NCED诱导之间的关
系进行了剖析, 在此基础上, 通过基因表达分析, 进
一步明确了 ABA 逆境信号的启动和强度操纵机制.
ABA 代谢和基因表达分析研究相互印证, 强烈表明
干旱诱导 ABA积累是一个由多个酶促反应步骤协同
加速, 且 NCED基因持续诱导的生化及分子机制.
1 材料与方法
(ⅰ) 植物材料. 拟南芥种子直接播种于装有花卉
营养土、蛭石和细沙(2:1:1)的混合土壤的盆中(15 cm
× 10 cm). 4℃处理 2 d后, 移至光照 300 µmol·m−2·s−1,
昼夜温度 23℃/20℃, 相对湿度 80%, 光照时间 12 h
的生长室中. 种子萌发后, 植株继续培养 3~4 周. 取
刚刚完全展开的健壮叶片进行有关实验.
(ⅱ) NDGA 药理学实验 . 去甲二氢愈创木酸
(nordihydroguaiaretic acid, NDGA)首先配成200 mmol/L
DMSO 母液, 然后用双蒸水配成不同浓度的工作液.
叶片剪下后, 采用真空渗入法在不同浓度的 NDGA
工作液中处理 20 min, 之后进行脱水处理和 ABA测
定(参见以下有关部分). 以 0.05% DMSO溶液处理的
叶片做对照.
(ⅲ) 基础 ABA 代谢测定. 用锋利刀片沿叶柄
基部在水中将叶片切下 , 接着在接近切口的地方切
下第二刀以阻止导管气穴的形成 , 之后迅速将叶片
叶柄浸入至装有无气体蒸馏水的小管中 . 叶片在如
下环境中平衡 1 h: 光照 300 µmol·m−2·s−1, 温度 18℃,
相对湿度 60%. 然后将叶片转移到装有 500 µL (±)-
cis-trans-3H-ABA (Batch 29 of Amersham, 比活性 7.4×
1011 Bq/mol)的小管中 , 叶片在平衡环境中蒸腾 15
min 后, 再次迅速转移至蒸馏水中, 之后在同样条件
下温育不同时间后取样. 样品在液氮中速冻后, 冰冻
干燥, 磨成干粉. 取 20 mg 干样, 加 300 µL 蒸馏水,
在 4℃下震荡 24 h, 13000×g离心 15 min后取上清, 按
如下方法测定未被代谢的 3H-ABA含量: 50 µL提取
液加 350 µL磷酸盐缓冲液(pH 6.0), 100 µL ABA抗体
工作液(MAC252, 由 Quarrie提供, John Innes Center,
UK), 混合后在 4℃下反应 45 min. 结合态的 3H-ABA
用 50%饱和硫酸氨沉淀后, 用 100 µL蒸馏水溶解. 加
1.5 mL闪烁液, 充分混合后, 用液体闪烁谱仪测定放
射强度. 根据 3H-ABA 代谢的动力学曲线计算 ABA
代谢的半衰期.
(ⅳ) 逆境 ABA 代谢测定 . 水分胁迫可导致
ABA 含量急剧增加, 为此, 用 ABA 放射免疫分析的
方法即可准确监测 ABA水平的变化. 逆境 ABA代谢
测定的基本原理是 , 叶片首先进行水分胁迫处理并
保证 ABA积累达到最高水平, 之后采用 ABA合成关
键酶NCED的阻断剂NDGA迅速阻断ABA的继续合
成[20], 然后在胁迫条件下检测 ABA 水平的变化, 根
据 ABA 含量变化的动力学曲线计算 ABA 代谢的半
衰期. 其具体操作步骤如下: 完整植株干旱处理 7 d
(此时叶片已充分萎蔫且 ABA 积累达到最高水平)后,
在水中用锋利刀片沿叶柄基部将叶片切下 , 之后叶
柄用 Parafilm缠裹并塞入装有 100 µmol/L NDGA的
注射器针头接口处, 轻推注射器 NDGA 将迅速进入
叶片, DMSO为 NDGA的溶剂, 以 0.05% DMSO处理
做对照. NDGA处理 10 min后, 叶片在干燥气流下迅
速脱水至原重, 之后温育不同时间采样. 样品在液氮
中速冻后, 冰冻干燥, 磨成干粉. ABA含量用放射免
疫方法测定(见下述 ABA测定方法).
(ⅴ) 胁迫处理. 短期干旱胁迫处理: 叶片用锋







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利刀片沿叶柄基部切下, 在室温、自然气流条件下失
水至原鲜重的 70%, 之后叶片密封在 100%湿度条件
下以阻止叶片的进一步脱水 . 叶片脱水胁迫并温育
不同时间后取样, 测定 ABA 含量或进行基因表达分
析. 长期干旱胁迫处理: 植株培养 3周后, 停止浇水,
当发现叶片萎蔫后, 整体植物密封在 100%湿度的有
机玻璃生长室中以阻止叶片的进一步脱水 . 植株在
拟南芥生长室中继续生长不同时间后取样 , 测定
ABA含量或进行基因表达分析.
(ⅵ) 基因表达分析. RNA 提取采用 QIAGEN
公司 RNeasy Plant Minikit, cDNA合成采用 Promega
公司的 M-MLV Reverse Transcriptase (M1701). 基本
程序如下: 取 1 µg RNA, 加 1 µg Oligo(dT)15, 70℃热
激 5 min, 之后加入 5 µL M-MLV 缓冲液, 1.25 µL
dNTP Mix, 1 µL M-MLV, 0.6 µL RNase inhibitor. 采
用 25 µL反应体系, 37℃反应 1 h. PCR相关引物为:
ZEP, 5′-ATTTGACGGTTGGTGCGACA-3′, 5′-CTCT-
CATTCTTCCTCGTCGATTT-3′; NCED3, 5′-CAACG-
GAGCTAACCCACTTCA-3′, 5′-ACCCTATCACGAC-
GACTTCATCT-3′; SDR1, 5′-AGGGATAGGTGAGAG-
CATTGTTC-3′, 5′-CGCTACATCATCAACCGTCAGT-
3′; AAO3, 5′-GCTTCCTGGCATTTGGTTCTTAT-3′, 5′-
TCTTTCGCTCAGCTTCTTCC-3′; ABA3, 5′-ACCAG-
TGACCTTATAGCGGATGC-3′, 5′-CGTTGGGCCTG-
ATTTATGTGAA-3′. PCR程序为: 94℃, 5 min; 94℃,
45 s, 58℃, 45 s, 72℃, 1 min, 35个循环; 72℃, 7 min.
(ⅶ) Real Time RT-PCR. RNA提取采用 QIAGEN
公司 RNeasy Plant Minikit, cDNA合成采用 Promega
公司的 M-MLV Reverse Transcriptase (M1701). Real
Time PCR 采用 SYBR Premix Ex Taq 试剂盒 (Ta-
KaRa DRR041S). PCR仪型号 MJR PTC200. 所用引
物为: NCED3, 5′-GCTGCGGTTTCTGGGAGAT-3′, 5′-
GTCGGAGCTTTGAGAAGACGAT-3′; CYP707A2, 5′-
CGTCTCTCACATCGAGCTCCTT-3′, 5′-GAGGGTG-
TTGATGGACTTTTGG-3′; ACT2, 5′-CTTCCCTCAGC-
ACATTCCAG-3′, 5′-CCCAGCTTTTTAAGCCTTTG-3′.
PCR程序为: 95℃, 10 s; 95℃, 5 s, 60℃, 20 s, 40个循
环. Real Time PCR 结果分析采用 2-∆CT 方法, 以
Actin2做为参照基因[21].
(ⅷ) ABA 测定. ABA 测定采用放射免疫分析
方法. 测定的基本程序参见 Quarrie 等人[22]的方法.
基本程序如下: 叶片取样后液氮速冻, 冰冻干燥后磨
成干粉. 取 50 mg干粉加 0.5 mL蒸馏水, 在 4℃下震
荡 24 h, 13000×g离心 15 min后取上清测 ABA含量.
取 50 µL ABA提取液, 加 250 µL 磷酸盐缓冲液(pH
6.0), 100 µL ABA抗体工作液(MAC252, 由英国 John
Innes 研究中心的 Quarrie 博士提供 ), 及 100 µL
3H-ABA, 放射强度为 2000 dpm, 混合后在 4℃下反
应 45 min. 结合态的 3H-ABA用 50%饱和硫酸氨沉淀
后, 用 100 µL蒸馏水溶解. 加 1.5 mL闪烁液, 充分
混合后, 用液体闪烁谱仪测定放射强度. 根据 ABA
标准回归曲线计算 ABA浓度.
2 结果
本研究的主要目的是以 ABA 代谢分析入手, 剖
析干旱条件下 ABA 积累的操纵机制. 为此, 首要的
工作是要明晰干旱胁迫下 ABA 积累的规律和特点.
图 1(a)显示, 离体叶片短期脱水处理可导致 ABA 水
平剧烈上升. 没有脱水的对照叶片内 ABA 含量一般
在 250 pmol/gFW. ABA积累对脱水处理响应很快, 脱
水处理 2 h ABA水平即明显上升, 脱水 4 h后 ABA
积累便可达到高峰, 但更长时间的处理可导致 ABA
水平迅速下降. 和对照相比, 脱水 4~12 h内 ABA累
积的平均水平可增加 6倍以上. 图 1(b)显示长期干旱
处理下 ABA水平的变化. 随着干旱进程的推进 ABA

图 1 短期和长期水分胁迫下 ABA累积的时间曲线
(a) 短期水分胁迫. 离体叶片脱水 30%后温育不同时间, Con为没有脱
水胁迫的对照. (b) 长期水分胁迫. 整体植株停止浇水, 待叶片充分萎
蔫后在 100%湿度下生长不同时间







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含量迅速上升, 6 d后, ABA含量达到最高水平. 其后
的所有考察时间中 , 该水平始终维持相对稳定的状
态.
图 2 为基础 ABA 的代谢, 可以看出, ABA的代
谢呈现指数衰减规律 , 其具体状况可以用如下方程
描述: y = 100 × [0.1452 + 0.8915 exp (−ln 2 t/1.20)],
其中 y 为当基础 ABA 的相对值设定为 100%时, 在 t
时刻 ABA 剩余的百分数 . 方程的回归系数 R2 =
0.9896, 说明ABA代谢是一个典型的指数衰减. 根据
该代谢方程可以准确地计算出ABA代谢的半衰期 t1/2
为 1.2 h, 这意味着 ABA代谢速率相当快, 在 1.2 h内
50%的 ABA 将会被代谢掉, 图中也可以看出 8 h 后,
80%以上的 ABA将会代谢掉.


图 2 基础 ABA代谢的动力学曲线
3H-ABA引入叶片后在不同时间内分析未被代谢的 3H-ABA的量

逆境 ABA 和基础 ABA 的区别不仅在于所处的
状态不同 , 同时还体现在区隔部位上有可能是不同
的, 因此基础 ABA 代谢测定体系不一定适用于逆境
ABA 的代谢分析. 为测定逆境 ABA 的代谢, 一种可
能的尝试就是阻断逆境 ABA 的积累, 然后测定逆境
ABA 水平的变化. 显然, 在该体系的建立中最重要
的环节就是选择合适的阻断剂以达到完全快速阻断
ABA积累的目的. NDGA是 ABA合成关键酶 NCED
的特异阻断剂, 图 3显示, ABA的积累对 NDGA非常
敏感, 脱水可诱导 ABA 的急剧积累, 但随着 NDGA
浓度的增加, ABA 增加程度迅速下降, 100 µmol/L
NDGA可完全阻断ABA的积累. 因此, NDGA可能是
一种良好的用于 ABA代谢测定的阻断剂.
NDGA对干旱诱导 ABA积累的阻断有两种可能
的机理: 一是转录水平的调控, 即对 ABA 合成酶基

图 3 ABA合成抑制剂 NDGA对干旱诱导 ABA积累的
影响
A, 对照, 叶片不进行水分胁迫处理; B, DMSO 处理的对照, 0.05%
DMSO处理后进行水分胁迫; C, 10 µmol/L NDGA处理后进行水分胁
迫; D, 50 µmol/L NDGA处理后进行水分胁迫; E, 100 µmol/L NDGA
处理后进行水分胁迫; F, 200 µmol/L NDGA处理后进行水分胁迫

因启动的抑制; 二是转录后调控, 即对 ABA 合成酶
活性的直接抑制, 或者两种可能性都有. 图 3 虽然证
明 NDGA可以完全抑制干旱诱导 ABA的积累, 但是
不清楚该 ABA 积累的阻断有无转录调控的贡献. 在
进行逆境 ABA代谢分析时, 如果 ABA合成酶活性不
能完全抑制, 那么剩余酶活性对 ABA 合成的贡献将
会部分抵消由于 ABA 代谢导致的 ABA 水平的下降,
这势必会对 ABA 代谢的分析带来误差. 假如 NDGA
对 ABA 合成酶基因的启动没有影响, 那么则可充分
断定 NDGA 对干旱诱导 ABA 积累的阻断是基于
ABA 合成酶活性的完全抑制而没有其他因素的干扰.
基于这一考虑, 我们进一步分析了 NDGA对 ABA合
成酶基因表达的影响 . 图 4(a)为 ABA 合成酶的
RT-PCR 分析结果 , 可以看出 , NDGA 处理和对照
(DMSO 和水处理)相比, 所有基因的表达都没有显著
差异. 为进一步验证结果的可靠性, 我们对 NCED3
和 ABA 代谢酶基因 CYP707A2 的表达进行了 Real
Time RT-PCR 分析, 结果表明, NDGA 对 NCED3 和
CYP707A2 的表达也没有显著的影响(图 4(b)). 以上
结果表明, NDGA 对 ABA 积累的阻断是通过对酶活
性的直接抑制实现的, 因而 NDGA 可以用来分析逆
境 ABA的代谢.
图 5显示, 当 ABA积累到一定水平后, NDGA的
瞬时处理可导致 ABA 水平的迅速下降, 与此同时无
NDGA处理的对照, ABA仍保持相对稳定的水平. 从
图中可以看出, 和基础 ABA代谢规律相似, 逆境 ABA







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图 4 NDGA对水分胁迫下 ABA合成酶基因表达的影响
(a) RT-PCR. 对照为没有进行水分胁迫; 脱水胁迫+药剂处理为试材
首先进行药剂处理, 之后进行水分胁迫. (b) Real Time RT-PCR. 相对
基因表达量表示目的基因和参照基因 ACT2 表达量的相对比值. 对照
为没有进行水分胁迫; DMSO和 NDGA为试材首先进行药剂处理, 之
后进行水分胁迫


图 5 逆境 ABA代谢的时间动力学曲线
试材首先经过水分胁迫处理, 之后进行 NDGA(○)或 DMSO(□)瞬时
处理及水分胁迫恢复处理. 不同时间内分析未被代谢的逆境 ABA 的
量. 点线为逆境 ABA代谢的回归曲线

的代谢也呈现指数衰减的规律, 其具体的变化可用如
下方程描述: y = 4152 [0.1636+ 0.9616 exp (−ln 2 t/
1.32)], 式中 y代表当逆境 ABA 的初始值为 4152 时,
在 t 时刻 ABA 的剩余水平. 方程的回归系数 R2 =
0.9818, 说明逆境 ABA 代谢也是一个典型的指数衰
减. 根据该代谢方程可以准确地计算出逆境 ABA 代
谢的半衰期 t1/2为 1.32 h, 该代谢半衰期和基础 ABA
的半衰期 1.20 h没有太大的差异.
干旱条件下, ABA累积是以 ABA合成酶基因的
调控为基础的, 在逆境 ABA和基础 ABA代谢速率准
确测定的基础上, 为深入剖析 ABA 积累调控的分子
基础, 本研究进一步分析了 ABA 合成酶基因的表达
调控模式. 图 6为离体叶片短期脱水处理时, ABA合
成主要酶基因 ZEP, NCED3, SDR1, AAO3和 ABA3的
表达情况. 可以看出, 除 ZEP和 SDR1外, ABA合成
关键酶基因 NCED3 和 ABA 生物合成最后一个步骤
的酶基因 AAO3 和 ABA3 都可被干旱诱导. 在所有干
旱应答基因中 NCED3 对脱水胁迫最为敏感, 脱水胁
迫 10 min后, NCED3即可明显表达. AAO3和 ABA3
似乎具有相似的表达模式, 但和 NCED3 相比, 其对
脱水胁迫的反应要慢的多, 在脱水胁迫 2 h后其表达
量才明显上升.


图 6 短时间水分胁迫下 ABA合成酶基因的表达
离体叶片脱水不同时间后进行 RT-PCR分析

图 7为长期干旱胁迫下, ABA合成酶基因的表达
情况. RT-PCR分析表明(图 7(a)), ZEP和 SDR1在非胁
迫情况下就有一定的表达 , 在整个干旱处理过程中
其表达量没有明显变化 . 长期干旱可诱导 NCED3,
AAO3和 ABA3的表达, 且 AAO3和 ABA3的表达在时
间上要迟于 NCED3的表达. Real Time RT-PCR的进
一步分析也表明(图 7(b)), NCED3的表达并非是瞬时
性的 , 在所观察的整个干旱处理期间内始终处于诱







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导表达的状态. 该结果和 ABA 代谢研究相互印证,
共同说明干旱诱导 ABA 积累过程中合成与代谢的协
同调节及 ABA代谢在 ABA积累调控中的重要作用.


图 7 长时间水分胁迫下 ABA合成酶基因的表达
(a) RT-PCR. (b) NCED3 的 Real Time RT-PCR. 整体植株干旱不同时
间后, 取叶片进行基因表达分析. 相对基因表达量表示目的基因和参
照基因 ACT2表达量的相对比值
3 讨论
在活体细胞内 ABA的合成和代谢是同时进行的,
如果合成速率大于代谢速率, 那么 ABA 的水平必然
上升, 反之则必然下降; 如果 ABA 的合成速率和代
谢速率相等, 那么 ABA 的水平则应保持相对稳定的
水平. 因此, 为明晰ABA水平变动的原因, 必须以剖
析 ABA 的合成和代谢的动态变化为基础. 但是, 长
期以来, 由于一直无法准确测定基础 ABA 的代谢速
率, 更不清楚逆境 ABA 的代谢速率, 所以传统地认
为 ABA的代谢速率很慢, 且干旱条件下ABA的代谢
速率或者说逆境 ABA 的代谢速率不变或甚至下
降[16~19]. 不难理解, 如果逆境 ABA 代谢速率的确不
变的话, 那么 ABA合成速率的提高必然导致 ABA水
平的上升, 且只要 ABA合成速率始终大于代谢速率,
那么 ABA 的水平则必然持续升高, 显然, 在这种情
况下 ABA 积累的水平则完全受控于 ABA 合成速率
提高的持续时间, 而和代谢没有关系.
本研究首先采用同位素示踪技术结合免疫分析
技术, 分析拟南芥叶片中基础 ABA 代谢速率. 之后
采用药理学阻断方法, 分析了逆境 ABA的代谢速率.
两种不同的方法, 所揭示的基础 ABA和逆境 ABA的
代谢特征非常一致, 即两者都遵守指数衰减规律, 代
谢的半衰期很短且基本相同. 这一结果揭示, ABA的
绝对代谢速率即单位时间内 ABA实际代谢的量将和
细胞内 ABA 的水平或含量成正比关系, 这意味着随
着 ABA的积累 ABA的代谢速率将同步增加. ABA代
谢有两条主要途径: 一是羟基化作用, 二是与糖的结
合. 最近的研究证明, 无论是编码羟基化途径还是糖
结合途径的关键酶基因 , 在干旱情况下其表达量都
会增加[18,23]. 本研究也发现, 干旱可诱导编码 ABA
代谢主要酶的基因即 CYP707A2的表达, 这和已往的
报道是一致的. ABA 代谢速率的变化与酶活调节有
关, 也可能与底物调节有关. 当酶的活性不是一个限
速因子时, 代谢速率将随 ABA含量增加而同步增加.
本研究通过研究 ABA 代谢的规律及定量测定 ABA
代谢的半衰期, 揭示出干旱情况下随着 ABA 含量的
上升, ABA 代谢速率将同步增加, 这意味着 ABA 代
谢酶活性无论在干旱胁迫还是非胁迫下都不是 ABA
代谢的限制因子, 同时也说明, 干旱情况下 ABA 一
系列代谢酶基因的调控是 ABA 代谢速率随 ABA 积
累而同步上升的基础.
ABA 代谢速率随 ABA 逐步积累而成比例上升,
这一事实的揭示为分析 ABA 积累的操纵机制提供了
关键信息. 理论上分析, 如果 ABA 代谢速率随 ABA
积累而成比例上升, 那么, ABA 积累则需要 ABA 合
成路径中所有酶促反应步骤的协同加速 , 而且一旦
ABA 积累达到最高水平后, ABA 累积水平的维持必
须以 ABA 合成关键基因 NCED3 的持续诱导为前提.
此外, 更重要的是, ABA 的累积能力实际上并非由
NCED3 控制而是由更上游的酶促反应控制 , 因此
ZEP将在 ABA累积能力的调节中可能起着重要的作
用. 如上所述, 干旱条件下 ABA 积累一般认为是由
NCED 控制的[24~29], 即 NCED 的表达除可启动 ABA
的积累外, ABA的累积能力也是由NCED基因持续诱
导的时间决定的. Thompson 等人[10]的研究似乎也支
持了这一观点, 因为在番茄中干旱诱导的 NCED 基
因的启动是瞬时性的 . 除番茄外 , 在其他植物如玉
米、大豆和拟南芥等中, NCED被证实是水分胁迫诱
导的[10,11]. 但是, 所有这些研究都是采用离体叶片进







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行短期的脱水处理(数小时), 在自然条件下即非离体
叶片长时间干旱胁迫下(如数天内) NCED 的表达特
征及其和 ABA 累积特征的关系如何仍不清楚. 为验
证基于 ABA 代谢研究的理论推测, 我们进一步研究
了干旱胁迫下 ABA合成路径中有关酶基因的表达特
征及其和 ABA 累积的关系. 研究证实, 非离体叶片
在长时间干旱胁迫下 ABA积累的特征是一个饱和曲
线, 即一旦 ABA积累达到最高水平后 ABA含量将维
持在一个相对稳定的水平, 与此相呼应, NCED 的表
达并不是瞬时性的, 而是和 ABA 积累具有相似的特
征, 即一旦 NCED 被诱导表达后其表达水平也将处
于相对稳定的水平, 这和基于 ABA 代谢研究的理论
推测是完全一致的.
从图 1 可以看出, 在离体叶片和非离体叶片中,
干旱诱导 ABA 的积累特征是不同的, 当非离体叶片
中ABA的积累呈现一个饱和曲线时(图 1(b)), 离体叶
片中 ABA 的积累却呈现一个钟罩形曲线 , 即一旦
ABA积累达到最高水平后ABA的含量不能维持在一
个稳定水平而是在某个时刻开始下降. 根据 ABA 代
谢研究的理论推测, 干旱条件下 ABA 的积累不仅需
要 NCED 基因的表达调控, 同时还需要其他酶促反
应步骤的协同加速, 而这必将导致 ABA 合成前体库
的衰竭从而成为 ABA 继续积累的限制因素. 离体叶
片和非离体叶片的区别也正在于 ABA 前体的合成是
不同的 . 非离体叶片是非破坏性取样而且所处环境
为自然生长条件, 因此能够保证 ABA 前体的不断合
成; 离体叶片是一个破坏性取样, 不能长时间维持正
常的生命活动, 因而也就不能长时间维持 ABA 前体
的合成. 显而易见, 从 ABA 积累需要其他酶促反应
步骤的协同加速的理论分析, 这意味着除 NCED 外,
ZEP等更上游的酶在干旱诱导 ABA积累中也可能起
着十分重要的作用. 最近, Borel 等人[30]在烟草中的
研究表明, ZEP过量表达并不影响基础 ABA含量, 但
可以提高 ABA 累积对水分胁迫的敏感性, 这进一步
说明基于 ABA 代谢的理论推测和 ABA 积累的实际
特征是完全一致的.
综上所述, 本研究揭示了 ABA 代谢是一个非常
快速的过程, 而且干旱条件下 ABA 的绝对代谢速率
(即单位时间内 ABA代谢的量)将随 ABA含量上升而
成比率增加. 由于 ABA 代谢的这一特征. 干旱条件
下 , ABA 的积累不仅需要 ABA 合成关键酶基因
NCED的启动, 还同时需要其他酶促反应步骤的协同
加速. 此外, ABA信号的维持必须以 NCED基因的持
续诱导为前提, 而 ABA 信号的强度则应受到 NCED
更上游酶促反应步骤的操纵 . 本研究不仅揭示了
ABA 代谢在操纵干旱诱导 ABA 积累中的关键作用,
还同时揭示了 NCED并非是操纵 ABA积累的惟一关
键酶.
参 考 文 献
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·书 讯·
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