全 文 ：第 18 卷 第 4 期 北 京 农 业 大 学 学 报
V o l
.
18 N o
.
4 A C A TA G R IC UL TR A E UIV N UR ES I TA TIS P I E K N E NS IS
1 2 99年
1 992
子七二
林生山薰豆体内的一种特异游离
氨基酸— 丁二氨酸 ’ (综述 )
沈黎明 吴显荣
( 生物 学 院)
2
,
4
一
D i a m i n o b u t y r i c A c i d
, t h e M a j
o r C o m P o n e n t
o f N o n P r o t e i n A m i n o A c id s i n F l a t P e a ( L a thy r u s sly
v e s t ir s L
·
)
S h e n L im i n g W
u X i a n r o n g
( C
o l l e g e o f B i o l
o g y )
林生山燕豆是由美国引进的一种多年生豆科植物 , 它根系发达 , 枝叶繁茂 ,并具有抗逆力
强 、生产力高 、动 物饲养价值高等多种优良特征特性 。 在牧草生产和生态平衡失调地区水土保
持中有着极好的利用前景 。 目前在我国北方地区试种的结果已表明这种植物在我国有较好的
适应能力 。 如能加强对林生山燕豆在农学 、畜牧学和生理生化方面的研究 , 加速推广这种植物
在生产中的利用 ,必将为广大农牧区 ,特别是许多自然条件恶劣 、 自然生态平衡失调的地区带
来较大的经济效益 。
和其他许多豆科植物一样 ,林生山熬豆体内含有结构简单的含氮物质 。 研究表明这些含氮
物质主要是非蛋白氨基酸 。 特别是体内含有浓度很高的丁二氨酸 , 其含量可达植物干重的
2写l[ 一 `〕 。 这一点引起了人们的研究兴趣 。 首先 , 我们的研究显示 ,林生山燕豆体内丁二氨酸的
含量和环境条件有相关性 , 林生山燕豆特有的高浓度的丁二氨酸可能是和它对脊薄 、 低温 、 干
早以及有害离子等恶劣条件的综合抗性有密切联系 。 所以研究丁二氨酸在林生山熬豆体内的
分布规律 、合成途径等 , 不仅可以了解林生山燕豆的抗逆性的生物化学基础 ,还可以为利用林
生山燕豆的优良特性提供理论依据 。而从另一方面来看 ,如广泛利用林生山燕豆作为主要牧草
喂养动物 ,必须要搞清楚这样一些问题 : 林生山熏豆体内的丁二氨酸到底在动物体内会造成什
么影响? 它在动物体内的残留又会对人类造成什么影响 ? 如何采取现代生物技术有目的地控
制林生燕豆体内丁二氨酸的含量 ? 此外 , 已经发现丁二氨酸有一定的医药价值 ,这种化合物对
小鼠纤维瘤细胞和人的恶性神经胶质瘤有特效杀伤作用 。从这些方面来看 ,林生山燕豆体内 丁
二氨酸 的研究是综合开发利用林生山燕豆的前提和 中心环节 。
本文讨论了迄今为止林生 山焦豆体内丁二氨酸研究的现状 , 包括丁二氨酸在生物体内的
分布与合成 、 丁二氨酸含量与环境条件的关系 、 丁二氨酸对植物和动物的生理效应 。 这些研究
的主要结论为在生产中利用林生山燕豆提供了重要的信息 。
收稿日期 : 1 9 9 1一 1 2一 0 7
. 国家自然科学墓金资助课题
.
3 4 7
1 丁二氮酸在生物中的分布
人们首次在百合科黄精属 ( 尸 oly g n ot u。 )植物体内发现丁二氨酸川 , 随后发现这种氨基
酸是多粘菌素 、 环杆菌素 、粘菌素和其他一些多肤的组成成分 。 在植物病源菌 oC r y ” e ba ct er iu m
tr it cl’ i 的细胞壁上 , 丁二氨酸是一种粘多肤的成分 。 在一品红分泌的乳液和一些豆科植物的种
子中丁二氨酸以单乙酞基的衍生物存在 。 蛋白质中未发现丁二氨酸 。 牛脑和牛肝脏中有少量
的丁二氨酸 。 被子植物中有单子叶的 6 个科和双子叶的 36 个科中发现含有丁二氨酸 。 在包括
林生山焦豆在内的 1 种山焦豆属植物中丁二氨酸的含量特别高 ,可达干重的 1%以上闹 。
在林生山熬豆种子中 ,丁二氨酸占干重的 3% ~ 4% ,并含有 10 %的种子全氮 ,大部分的丁
二氨酸存在于子叶当中 。 除种子以外 , 丁二氨酸还存在于不同发育阶段植物的各个部位 。 我们
的研究表明 ,始蕾期林生山焦豆植株鲜草中丁二氨酸的含量为 13 . 5士 1 . 54 (毫克 /克干重 ) ,经
过一年干贮 ,丁二氨酸的含量仍为 12 . 8士 2 . 2 6( 毫克 /克干重 ) 。 一些研究指出 , 种子发芽过程
中 ,丁二氨酸的含量显著增加 , 苗期丁二氨酸的含量达到高峰 , 以后丁二氨酸的含量随年龄下
降 。 而另一些研究认为 ,林生山熬豆体内丁二氨酸含量的高峰期为盛花期 。 我们的观察中 ,林
生山燕豆叶片中丁二氨酸的含量高于其他组织 , 而且始花期时叶片和茎杆中丁二氨酸的含量
为其他时期的两倍 2[] 。 有关丁二氨酸在林生山焦豆不同生育期的代谢运输情况 目前尚不清楚 ,
有人认为在成熟干草中丁二氨酸的含量较低是因为在种子形成过程中 , 丁二氨酸向种子中运
输所致 。 我们的分析显示 ,幼小果荚中的丁二氨酸主要分布在胚珠中s[] 。
2 丁二氮酸的分离提取和定性定t 分析
在现有文献中 ,关于林生山焦豆体内丁二氨酸含量的报导不完全一致 , 这是因为植物年
龄 ,植物经历的环境条件和分析 方法的不同而造成的结果 。 我们认为 ,提取丁二氨酸的方法会
对最后结论造成很大的影响 。 和蛋白质氨基酸以及其他一些非蛋白氨基酸的分离相比 ,提高提
取缓冲液的极性可以提高丁二氨酸的回收率 。 对不同提取方法进行比较 研究的结果表明 , 丁
二氨酸的最佳提取方法为以 50 %乙醇作提取剂 , 用索氏提取器提取 。 这个方法不会对其他蛋 .
白氨基酸及非蛋白氨基酸的回收率造成不利影响〔` , ’ 〕 。
邻苯二醛衍生法是一种速度快 ,专一性强和灵敏度高的氨基酸分析方法 。 可是 ,和传统的
苟三酮方法相比 ,邻苯二醛方法对赖氨酸的同系物 ,如丁二氨酸和丙二氨酸 , 灵敏度较低 。可能
是存在有两个相邻的氨基所致 。但林生山黛豆体内丁二氨酸的含量很高 ,所以邻苯二醛方法的
这一缺点不致对其丁二氨酸的分析造成太大影响 。 丁二氨酸是比较稳定的化合物 , 而它和邻苯
二醛所形成的衍生物并不稳定 。 因而在分析中要严格控制时间 。 邻苯二醛法的重复性极高 , 用
类似的材料进行分析 ,可以得出完全一致的结果 .s[ ` , ’ 〕 。
因为林生山黛豆含有大量的非蛋白氨基酸 ,所以在氨基酸分析过程中不易选取合适的内
源标准 。 在我们邻苯二醛一 H P L C 方法中 ,我们采用了毗哆基乙基青霉胺作为内源标准 。 因为这
个化合物在林生山熏豆氨基酸分析图谱上形成的峰和丁二氨酸峰相邻近 :[] 。
3 丁二氮酸的生物合成
目前对 山熏豆属非蛋白氨基酸的合成机理的了解很少 。
有人提出 ,丁二氨酸来自天冬酞胺 , 合成过程可能包括天冬酞胺的氨酞基的脱氢和中间产
物 件氰基丙氨酸的氰基还原 。 对山燕豆属植物进行 H ’ ` C N 标记试验 , 可发现产物中有被标记
的丁二氨酸和及中间代谢物 件氰基丙氨酸 。 件氰基丙氨酸脱梭可形成各氨基丙睛 ,所以在山熬
.
3 4 8
.
豆属植物体内丁二氨酸和 件氨基丙腊可能是两个互为补充的利用卜帆基丙氨酸的代谢途径 。
可是 ,在林生山焦豆体内并未发现 件氛基丙氨酸和有关催化代谢的酶阁 。 所以 , 上述假设可能
不是林生山焦豆体内丁二氨酸的合成途径 。
有放射性同位素试验结果证明 ,天冬氨酸和高丝氨酸都是合成丁二氨酸的前体物 。 因为放
射性碳原子在高丝氨酸和丁二氨酸之间转移的速度更快 ,所以观察者认为高丝氨酸是天冬氨
酸与丁二氨酸之间的中间产物 。 另一种可能的丁二氨酸代谢的中间物是天冬半醛 ,并且可能有
某种氨基供体和转氨酶参与了丁二氨酸的合成闭 。
上述关于丁二氨酸合成的假说 , 并未回答关于代谢中各中间产物的定量关系以及代谢调
控机制 . 为了阐明丁二氨酸的合成机理 ,必须进一步研究 ,揭示体内丁二氨酸合成中底物与产
物之间的定量关系 , 分离鉴定各个中间产物和参与的代谢酶及其调控因子 。
对丁二氨酸在林生山燕体内细胞器定位研究的结果证明 ,在细胞内 75 %的丁二氨酸存在
于液胞内 , 15 %存在于叶绿体内 ,其余的 10 %存在于胞质当中 。 线粒体和过氧化体中没有丁二
氨酸的分布 . 根据这些结果以及各个组分的相对体积 ,可以得出以下结论 , 即丁二氨酸主要是
在叶绿中合成 ,然后运输至液胞中贮存 。 这个结论有待进一步证明10[ 〕。
4 环境条件对林生山燕豆体内丁二组酸含 t 的影响
环境条件可以显著地改变林生山燕豆体内丁二氨酸的含量 。随着氮素供应的增加 , 丁二氨
酸的含量上升 。 资料显示 , 丁二氨酸似乎是一种氮素的储存形式 。 氨态氮对林生山焦豆的生长
有毒害作用 . 根瘤菌和林生山燕豆之间的共生作用 ,对林生山燕豆的非蛋白氨基酸的合成和积
累没有明显影响 。 干早显著地促进林生山熬豆体内特别是根内的丁二氨酸的含量 。 其增加量
大大超过了干早条件下脯氨酸的积累量 。经过干早处理的林生山燕豆体内游离氨基酸 (包括脯
氨酸 )浓度的提高幅度较低 ,似乎不足以发挥渗透调节作用 。 低温和低光照会促进丁二氨酸的
积累 [ ,一 ` ] 。
在不利环境下以丁二氨酸形式储存的氮素 ,可能会在环境改善时释放出来供植物利用 。
S 丁二氮酸生理意义和生理效应
丁二氨酸和相关的非蛋白氨基酸的生理功能尚不清楚 。 关于丁二氨酸功能的假设之一是
丁二氮酸是氮的贮存形式 ,这个假说的根据在于 , 当氮的供应量增加和 当植物处于逆境条件
下 ,林生山燕豆体内碳氮比降低 , 丁二氨酸的浓度提高 。
5
.
1 林生山 黛豆体 内丁二氛酸对其他植物和徽生物 的作用 非蛋白氨基酸是蛋白氨基酸的
类似物 。 林生山燕豆体内的非蛋白氨基酸可能对不含这些物质的植物的生长有抑制作用 。 有
试验表明 , 丁二氨酸和丙二氨酸及其衍生物可以抑制葛芭种子发芽和幼根及胚轴的生长〔” ’ 。
浓度为 0 . 1写的丁二氨酸溶液可以抑制蚕豆的发芽 1z[ 〕。 丁二氨酸及其类 似物可能对某些病源
微生物也有抑制作用 , 已发现丁二氨酸可以抑制某些真菌体内的谷氨 酸和天冬氨酸的运输 。
在自然环境中 ,林生山燕豆比其他多年生植物的竞争力强 ,可能是 因为林生山燕豆体内富含非
蛋白氨基酸 ,从而对病虫害有较高的抵抗能力 ,并能严重地抑制其他植物的萌发和生长〔` ’ 。
有研究表明丁二氨酸可以促进对林生山焦豆有特异性的根瘤菌小种的生长 ,并对土壤杆
菌和其他根瘤菌小种的生长有刺激作用困 。
5
.
2 林生山旅豆及丁二氛酸对昨反当动物的影响 和其他植物次生物质一样 ,非蛋白氨基酸
可能可以保护植物不受食草动物的侵害 。 丁二氨酸可以对三种蝗虫产生抑制作用 。 有些昆虫
·
3 4 9
.
具有解毒功能 ,可以把丁二氨酸通过转氨作用转化成丙氨酸 ,从而降低了丁二氨酸在淋巴组织
和脑组织中的浓度 ls[ 〕 。
在自然环境中 , 许多动物都采食林生山燕豆的叶片和种子 。 如鹿 、鹅和鸽 。 早期有人成功
地用林生山焦豆喂养了马和猪〔’ ` 〕。
在一些用鸡作的对比试验中 , 以林生山燕豆种子 、林生山黛豆干草和添加了丁二氨酸的其
他牧草作为饲料 ,发现丁二氨酸对鸡的生长有抑制作用 e1[ 。
喂养了林生山焦种子的大白鼠会产生超兴奋反应以及抽搐惊厥等症状 ,有时导致死亡 。通
过消化道给大白鼠施入从林生山熏豆中提取的丁二氨酸 ,也会造成上述症状 。 这种结果表明丁
二氨酸是一种神经毒剂 ls[ 〕 。
丁二氨酸对大白鼠的致死中量是每 10 克体重 60 毫克 。 它是一种低效毒剂 。 丁二氨酸可
随血液运输 , 并在肌肉、 肝脏 、肾脏 、 肺脏和胃粘膜中积累 。 唾液 、 脑垂体 、 松果腺和尿液中可以
检测出丁二氨酸 。 组织化学和组织病理学分析表明丁二氨酸的致毒作用在于丁二氨酸抑制了
鸟氨酸氨甲酞基转移酶的活性 ,从而阻碍了鸟氨酸循环 ,造成了氨离子的积累毒害 。 丁二氨酸
及其草酞基衍生物还可以干扰 4一氨基丁酸参与的生理过程 ,抑制脊髓中间神经原的神经冲动
传递 。 有人研究表现 , 丁二氨酸可提高脑组织中谷酞胺的浓度 ,并认为脑组织中谷酞胺的积累
和神经毒害症状是丁二氨酸对肝脏造成损害的次级效应 。 林生山黛豆体内的另一种非蛋白氨
基酸丙二氨酸及其衍生物 ,也具有神经毒害作用 。 和丁二氨酸的致病机理不同 ,丙二氨酸可以
阻碍神经末端对双梭酸的吸收 ,从而抑制神经突触的活力〔’ 6〕。
5
.
3 林生山 黛豆及丁二 氛酸对反当动物的影响 对林生山熏豆研究的关键问题之一是探讨
这种植物是否适合作为反当动物的饲料 。 因为这种植物对反当动物的毒性还没有确定结论 , 所
以林生山黛豆还末被普遍地作为牧草利用 。有些农民用林生山黛豆喂养牛群 ,还有用林生山熏
豆和其他牧草混喂牛达 10 年以上 ,而并末发现林生山燕豆有任何毒害作用 l[ ’ 〕 。
值得注意的是没有喂饲林生山欢豆牛的脑组织中本身含有低浓度的丁二氨酸 ,似乎说明 二
丁二氨酸参与牛脑的正常生理过程 。 可是丁二氨酸确实可以抑制肾上腺髓质中 4 一氨基丁酸吸
收系统 , 即有类似于在非反当动物中的病理反应 。 所以 , 对牛能食用林生山熏豆而不受毒害的
合理解释似乎是因为反当动物消化系统中的微生物群系能有效地分解林生山燕豆饲料中的有
毒成分 〔 , : : 。
一早期的喂养试验中确实发现一些取食林生山熬豆的羊出现 生长缓慢 , 异常症状以至死亡
的现象 。 但这些报道并未提供试验中关于动物年龄 、 性别 、数目及喂养时间等方面的详细数据
及林生山焦豆不利作用的范围和严重程度的资料 , 也没有关于受影响动 物的症状分析和病理
分析 。 在同一时期的另一些报道却认为林生山黛豆对羊是完全安全的 。 近年美国佛基尼亚理
工学院的研究者 ,采用大的动物群体 ,连续进行了 14 年的严格动物喂养对比试验 ,结果表明林
生山燕豆不会对羊产生任何毒害作用 。 在 17 个 关于林生山黛豆喂养羊的报道中 ,有 15 份报
道认为 林生山熬豆是羊的适宜饲草 6[] 。
牛和羊对林生山欺豆饲草需要一个适应的时期 ,可能这一阶段对于动物形成对林生山燕
豆的适应性是必不可少的 。未经过适应期动物的瘤胃提取液分解丁二氨酸的速度很慢 ,能分解
丁二氨酸微生物所占比重很低 。 而经过适应期的动物瘤胃提取液分解丁二氨酸的能力可提高
70 0 倍左右 。 有人提出 ,瘤 胃微生物可以有效地解除丁二氨酸的毒害作用 , 只要丁二氨酸的获
.
3 5 0
.
取量不超过微生物的分解能力 l [ 7〕。
能否成功地利用林生山黛豆饲喂反当动物的一个重要因素是 这种饲料所占动物总饲料
的比重大小 。 如果林生山焦豆和其他饲草搭配饲喂 ,可以大大减少林生山焦豆的不利作用 。 有
人提出 ,林生山熬豆占所用饲料 20 % 以下时 ,羊是绝对安全的 。 还有试验表明 , 当林生山欺豆
占所用饲料 50 %时 ,可以获得畜产品的最高产量和最佳品质 s[, ” 〕 。林生山熏豆种子中非蛋白氨
基酸的含量较高 ,所以营养阶段收获的林生山熏豆对动物更为安全〔` 〕。
` 林生山燕豆利用前景
林生山熏豆在畜牧生产和水土保持中有着良好的利用前景 , 它的优 良特征特性 (抗逆能
力 、生产能力和对动物的营养价值 ) 已经得到充分的肯定 。 目前利用林生山燕豆的关键环节在
于丁二氨酸的生化特性的研究 。 本文分析的内容指出林生山焦豆对动物在很大的程度上是安
全的 , 它体内的丁二氨酸和这种植物的抗逆性有关 。 为了安全有效的利用林生山燕豆 ,还应重
视以下方面的研究 : 首先要在我国的畜牧生产系统中 , 鉴定林生山燕豆的价值 , 确保喂养动物
的安全健康生长 ,并保证给动物饲喂林生山滚豆不会引起不利的生态链锁反应 。 同时 ,还应搞
清楚丁二氨酸在林生山燕豆体内的代谢循环途径 , 为有目的地调节控制林生山熬豆中丁二氨
酸含量提供依据 。我们目前正采用放射性同位素标记和代谢阻断的办法 ,以期弄清丁二氨酸代
谢中底物和 产物的关系 ;我们还将根据生物化学的原理 , 寻找确认丁二氨酸代谢的关键酶蛋
白 ,分析这种酶和逆境蛋白之间的关系 。 这些工作无疑会促进林生山焦豆的开发利用 ,使人们
可以利用生物化学和基因调控的手段 ,主动控制丁二氨酸的代谢 ,发挥这种物质对植物生长发
育的有利方面 , 抑制其可能产生的不利影晌 。
参 考 文 献
1 S h e n L e t a l
.
J E
x p t oB
t
,
198 9
,
40
:
7 1~ 79
2 S h
e n L e t a l
.
E n v i r o E x P t oB t
,
19 9 0 4 30 : 4 9 7~ 50 4
3 S h e n L e t a l
.
J E x P t B o t
,
1 99 0
,
4 1 : 52 1~ 5 27
4 hS
e n L e t a l
.
P l a n t eC l l E
n v i r o
,
19 9 1
,
13
:
83 3~ 8 38
5 F o w d e n L
,
oB y
a n t M
.
B i o c h e m J
,
1 95 5
.
70
:
62 6~ 6 2 9
6 F o s t e r J G
.
A d v A g r
,
1 990
,
4 3 : 24 1~ 3 一3
7 F o s t e r J G
,
J o f L i u id C h r o m a t o
,
19 59
,
1 2
: 3 0 3 3~ 3 0 5 0
8 R e s s l e r C e t a l
.
S e ie n e e
,
19 61
,
13 4
:
18 8一 19 0
, N ig a m 5 M
.
R e s s l e r C
.
iB o e h e m i s t r y
。
29 66
,
5
: 34 26一 34 3 1
10 F o s t e r e t a l
.
I n : M e m b r a n e t r a n s p o r t i n p la n t s
.
A e a d e m i a P u b l i s h i n g H o u s e o f
C z e e h o s l o v a k A e a d e m y o f S e i e n e e s
,
P r o g u e
,
1954
:
39 9
1 1 Be l l E A
.
F E B S L e t t
,
197 6
,
6 4 : 2 9~ 3 5
12 R a j A S
,
R a o V R
.
C y t o l o g i a
,
19 7 2
,
5 7
:
24 5一 256
23 S e h l e s in g e r H M e t a l
.
J In s e e t P h y s i o l
,
19 7 7
,
2 3
:
13 11~ 23 15
14 S l a y b a c k R D
,
D r o n e n 5 1
.
5 0 11 C o n s e r y
,
197 4
,
10
: 7一 2
15 R e s s l e r C
.
F e d P r o e
,
1 96 4 23
: 1 3 5 0 ~ 135 3
一6 eB l l E A
.
In T o x i e a n t s o e e u r r i n g n a t u r a l ly i n f o o d s
.
N a t l A e a d S e i
,
W
a s h in g t o n 〔K二, 1 9 7 3 .
15 3 ~ 16 9
1 7 P a v e l k a R W
.
M S T h e s is
,
C o r n e l l U n i v
,
19 85
.
1 5 H e g a r t y M P
,
P e t e r s o n P
.
J
.
I n : E f f e e t s o f p o i s o n o u s p l a n t s o n l i v e s t o e k
.
A e a dm ie P r e
s s
,
N e w Y o r k
.
1 9 7 8
,
5 7 5~ 5 8 5
2 9 F o r s t e r L A
.
M S T h e s i s
,
V P I & S U B l a e k s b u r g e
.
1 9 5 5
.
3 5 1