全 文 ：第 4 3卷第 1 期
200 7年 2月
兰州大学学报 ( 自然科学版 )
Jo u r na lo f La n z ho u U n i ve
r s i t y( Na t
u ra l S ei n s e e e)
从 ) 1. 4 3 No . 1
Feb
,
2 0 0 7
文章编号 : 0 4 55一 2 05 9 (2 00 7 )0 1一0 0 6各0 7
草酸与家山薰豆中 O D A P 生物合成
及其抗逆性关系的研究
张大伟` , 邢更妹 2 , 严则仪” , 王 崇英 ` , 李志孝3 ,
( 1
. 兰州大学 干早与草地生态教育部重点实验室 , 甘肃 兰州
2
. 中国科学院 高能物理研究所 , 北京 10 0 039 ;
王亚馥 1
73 0 00 0
3
. 兰州大学 功能有机分子化学国家重点实验室 , 甘肃 兰州 73 00 0 0)
摘 要 : 山熬豆 中含尽 N 一草酞一 a , 尽一二氨基丙酸沪一N 一 ox a ly l一。 , 口二d i a m i n o p r o p io n i e , o n A P ) , O D A P 是
引起 山熬豆中毒的主要成分 . 在山黛豆不同发育期 , 用草酸合成抑制剂 、 外源草酸和水分胁迫等处理
后分析各器官中 O D A P 积累消长动态与山黛豆抗逆性及其产量因子等之间的关系 , 结果如下 : B H B 不
仅降低了各器官中草酸的质量浓度 , 而且明显抑制了 O D A P 积累 ; 外源草酸或水分胁迫处理后 , 促进
了内源草酸和 O D A P 的积累 ; B H B 在降低了成熟种子中 O D A P 质量分数的同时 , 也降低了山黛豆的抗
逆性 , 但在生长后期处理既可抑制种子中 O D A P积累 , 又不致严重影响山黛豆 的产量和抗逆性 , 这表
明 , 草酸是 O D A P 生物合成的前体物之一 , 为获得低毒山蕉豆提供了一条切实可行而有效的途径 .
关健词 : 山熬豆 ; 口一N 一草酞一 a , 口一二氨基丙酸 ; 草酸; 2一经基丁炔酸丁醋 ; 聚乙二醇
中圈分类号: Q 945 .7 9 文献标识码 : A
山黛 豆 (L a th ,、 5 s a t坛。 。 。 L . )为豆科香豌豆属
一年生植物 , 具有广泛的适应性 , 耐寒 、 耐旱 、 耐
痔薄 、 抗病虫害 , 特别适合在西部干早 、 高寒地 区
种植 , 而且种子中蛋白质质量分数高达 26 % 、 30 % ,
含有人类和动物所需 的 17 种主要氨基 酸 , 营养价
值高 !` 、 4 ] . 然而 山燕豆的利用 因其种子含有一种
非蛋白质氨基酸 (尽N 一草酞一 a , 口一二氨基丙酸 (尽N -
ox
a ly卜a , 尽d i a m i n o p r o p i o n i e ) , O D A p )而受限制 , 长
期大量食用会引起神经性中毒 , 以致下肢瘫痪 s[, 4! ,
是引起山焦豆 中毒的主要原因同 . 初步研究结果
表明 : 卜 a , 庄二氨基丙酸 (-L a , 口一 d iam i n o p r o p i o n i c
ac 记 , D A PA )草酞化可形成 O D A P , 但必需草 酞辅
酶 A 的参与 15, 6 1, 而草酞辅酶 A 是由草酸与辅酶 A
结合而形成的 , 因此 O D A P合成 中的两个主要反
应是
草酞 ( 。 A 合成酶
体物之一 同时已知乙醇酸氧化酶 ( lG yc ol at e ox i-
d as e
,
G O )普遍存在于 C 3 植物叶片细胞中 , 是植物
光呼吸过程中的关键酶之一 G O 催化乙醇酸氧化
成乙醛酸 , 又能催化乙醛酸氧化成草酸
C H 2 0 HC 0 0 H + 0 2— C HO C 0 0 H + H 2 0 2乙醇酸 乙醛酸
C HO C 0 0 H + 0 2 + H 20— ( C 0 0 H )2 + H 2 0 2乙醛酸 草酸
草酸 十 ^ T P心A一些一三 草酞 一 e 。 ^ + AM P+ p p i
O D A P合成酶草酞 一 e 。 ^ + D妙一』一 0 0妙+ e 。 ^
由此提示 , 草酸可 能是 O D A P 生物合成 的前
山黛豆 各组织 或器官中 , 种子 中 O D A P 质量
分数最高 , 原 因是 O D A P 的生 物合成随山黛豆种
子胚发育进程逐渐积累 , 在种子中达到峰值图 . 同
时证明 , 山薰豆 中 O D A P 质量分数与其抗 逆性密
切相关 ! 8司 2 1. 草酸对植物生 长发育和抗逆性也具
有重要调节作用的报道 已不少 l` 3、 ’ ” ] . 本研究以此
为基础 , 在山黛豆的不 同发育时期 , 外施草酸或 G O
合成抑制剂 2一轻基 T 炔酸 T 醋 (B u t y l h y d r o x y b u t y -
on
a t e , B H B ) [`
6 ]
, 并在水分胁迫条件下 , 探讨山焦豆
不同发育时期各个器 官中草酸质量浓 度变 化与
O D A P 生物合成动态之间的内在联系以及与产量
之间的关系 . 旨在 通过适时控制山黛 豆个体发育
收稿 日期: 20 卜 0孚 21 . 修改稿收到 日期 : 20 0 6一 0-6 1 .7
舀全攻目 : 国家自然科学基金项 目 (3 8 6 0 3 8 4 , 3 9 7 7 0 4 6 9 , 3 0 2 709 6 5 )和国家重点基础研究发展规划项 目 (G 2 0 0 0 0 18 6 0 3 )资助 ·
作者简介 : 张大伟 ( 19 72 一 ) , 男 , 甘肃景泰人 , 讲师 , 博士 , 研究方向为植物生理生态学 , -e m ia l : z h d~ i创 uz
.
ed .u cn
.
王亚馥 (1 932 一 ) , 女 , 湖北武汉人 , 教授 , 研究方向为遗传学 , 通讯联系人 , -e m ia 卜 H ol ly d ia @ is n a . co m .
DOI : 10. 13885 /j . i ssn. 0455 -2059. 2007. 01. 014
兰 州大_ 学学报 ( 自然科学版 ) 第 4 3卷
过程中草酸的合成而降低各器官中 , 特别是种子
中O D A P 的积 累虽 , 以达到可安全食用或饲用的
标准 , 而 又不影响山熬豆的抗逆性及其一 系列优
良的生物学特性 .
1 材料和方法
L l 材料的培养
精选较饱满而整齐一致 的山黛豆干种子 , 冲
洗后于 o4 C 下春化 3、 4 天 , 每天换洗一次 , 春化后
的种子种于盛有经煮沸和清洗过的石英砂的花盆
中 , 花盆直径 x 深度二80 C m x 80 c m . 苗期取材的每
盆保苗 18 株 , 分枝期取材的每盆保苗 12 株 , 盛花
期和结荚期取材的每盆保苗 6株 , 为了收获种子的
每盆保苗 3、 4株 . 每个处理 4盆 , 共 6个处理 , 4个
不同发育时期 , 共计 96 盆 , 同期播种 . 先置 于 自然
光照条件下 , 遮雨蓬白天温度 15 “ c , 夜间 3、 {护 c , 用
K n o sP 营养液培养 , 待出苗后搬人 P G V 36 型植物生
长箱 (加拿大产 )中 , 用 K on sP 营养液继续培养 , 生
长箱条件为 : 高温 /低温二 2 o3 c /10 “ C , 光照 /黑暗二
1 6 h s/ h
, 光强 2 0 0 0 玩 . 在此条件下山黛豆生 长发
育正常 . 栽培管理与大田相同 , 并控制浇水量 . 播
种后 20 天 , 山熬豆处于苗期的三 叶期 , 40 天后为分
枝期 , 60 天为盛花期 , 80 天为结英期 , 全 生育期约
12 0天 , 与正常年份大田生长期基本同步 .
L Z 材料的处理
从播种 日期开始计 , 在山焦豆苗期 、 分枝期 、
盛花期和结荚期分别进行如下处理 , 每处理 4盆 ,
并经预备实验选用 B H B 、 草酸和 P E G 的适合剂量
如下 :
( 1 ) 0
.
0% (W/ V ) p EG 6 00 0
+ 0
.
0 m m o l/ L草酸
或 B H B ;
(2 ) 0
·
0% (W/ V ) p E G 6 0 0 0
+ 0
.
5 m m o l / L B H B ;
(3 ) 0
.
0% (W/ V ) p E G 6 0 0 o
+ 4
.
o m m o l / L 草酸 ;
(4 ) 20% (W/ V )P E G 6 0 0 0
+ 0
.
0 m m o l /L 草酸或
B H B ;
(5 ) 2 0% (W/ V )p E G 6 0 0
0 + 0
.
5 m m o l / L B H B ;
(6 ) 2 0% (W/ V )P E G 6 0 0 0
+ 4
.
0 m m o l / L 草酸 .
各个时期处理重 复 3次 , 每天上午 8 : o 时处理 ,
连续处 理 3天 , 于 48 h 后 分别在各处 理 的 3盆 中
取根 、 茎 、 叶 , 结英期还取种胚 , 测定各样品的内源
草酸和 O D A P 的质量分数 . 每个处理留一盆保苗
3 、 4株 , 至成熟收种子 , 再测定其内草酸和 O D A P
质量分数 . 并观察记 录各处理材料全生育期的生
长状况 , 统计单株籽粒数和百粒重 .
L 3 草酸质 , 浓度的侧定
采用催化动力学分光光度法测定草酸质量浓
度 !` 7一 ’ ” ]. 在 2 5 m L容量瓶中 , 加 1 . 0 m L 1 . 0 m m o l / L
的 H Z So 4和 1 . 0 m L o . o s m o l/L K ZC r o 7 , 用水稀释到
2 0 m L
, 加人 一0 m L l . o o x 10一 4 m o l /L 维多利亚蓝 B ,
用水稀释到刻度 , 混匀 . 将混合液迅速放人 6 o0 C
的恒温水浴锅中反应 , g m in 后用 自来水冷却 Z m in
以终止反应 . 将该 混合溶液作为非催化反应 的空
l
’
l 讨照液在 “ 1() n m 处记录吸收值 A , , 同样处理 , 分
别将加人 1 . 5、 30 拜g 的草酸标准溶液和待测样品
溶液的值记作 A , 和 A: , 测定一系列 109 (A` /街 ) , 建
立草酸质量浓度标准曲线 , 测定一系列 109 (A` /A 。 )
值 , 与标准曲线比较以确定样品中的草酸质量浓
度 (户g /m L ) .
1
.
4 O D A P 质 t 分数的侧定
O D A P 质量分数参照 W人N G 等0z[ ]的方法测定 .
约 20 m g 山薰豆干燥样品 (种子 、 茎 、 叶等 )加 Z m L
3 0% 乙醇 , 超声振荡 3 0 m i n , 电磁搅拌 Z h 后 , 15 0 0 0
g离心 , 过滤 , 滤液于 o4 C备用 . 取已知量 的 O D A P
标准液 (约 2 拼g加 L )或上述 l m L样品萃取液 , 分别
减压抽干 , 残渣加 100 拼L 0 . 5 m m o l /L N al C O 3及 10 0
拼L 衍生化试剂 (2 0 m g Z , 4一二硝基氟苯 ( l 一 fl u o r o Z ,
4
一
d i n i t r o b e n z e n
,
F n N B )在 2 m L 乙睛中的溶液 ) , 混
匀 , 于 6 0 0 C 加热 3 0 m i n , 冷至室温后加 0 . 5 m L o . 0 1
m m o l / L K H
Zp O ; 溶液 , 摇匀 , 取 2 0 拼L进行 H P L C
分析 , 外标法定量 .
1
.
5 差异显若性及相关性分析
各项指标的测定均重复 3次 , 取其平均值 , 分
别利用方差 分析和 t测验对照组与各处理间 以及
各处理之间的 O D A P 质量分数变化 、 草酸质量浓
度变化 、 种子百粒重 、 单株籽粒数等各项指标间的
差异显著性和相关性 , 进行生物统计学分析 .
2 实验结果
2
.
1 不同处理的山旅豆发育过程中各器官中
O D A P 质 , 分数的变化
从对照组结果可见 : 根 、茎 、 叶各器官中 O D A P
质量分数是叶中较高 , 根 中较低 , 而茎中则介于两
者之间 . 各个发育期又以苗期积累量较多 , 对处理
的敏感性也较强 , 如苗期 的各器官对几种处理效
应与对照相 比大都达到显著性标准 (表 1处理 1) .
加 B H B处理后对 O D A P 的生物合成具有明显
的抑制效应 , 普遍降低了 O D A P的质量分数约 50 % ,
只是对不同发育期或不 同器官中的抑制效应存在
差异 , 如在根中以分枝期抑制效果最 明显 , 茎中则
第 1期 张大伟等 :草酸与 家山 黛豆 中 O D AP生物合成及其抗逆性 关系的研 究
表 1不同处理的山燕豆各发育时期的各器官中 O D AP质 , 分数和草酸质 t 浓度的变化
T a b l e 1 C h a n ge
o f O D A P an d
o x a li e a e i d i n o r g a n s o f g r as s P e a a t d i fe
r e nt d e v e lo Pm e n t a l
P e r i o d s u n d e r i n d i e a t e d t r e at m e n t
根 茎
处理 苗期 分枝期 盛花期 结英期 分枝期 盛花期
p (草酸 ) 。 p (草酸 ) w p (草酸 ) 二 p (草酸 ) w
苗期
p (草酸 ) w 户 (草酸 ) w p (草酸 ) 二
/拼 g
·
m L一 ’ /% /拼 g
·
m L一 1 /% /拼 g
·
m L一 ` /雌 .m L一 1 /% /雌 · m L一 ’ /% /滩 · m L一 ` /% /雌 · m L一 ’ /%
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ù勺一3八tg臼q山阳,一0OCù1
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27门149,土03q山11no…0一U0.`匕,1R4峪.2, .人ì勺6八`闰`Ràē007可.…0d.1,l110山口」
茎 叶
处理 结英期 苗期 分枝期 盛花期 结英期
p (草酸 ) 。 p (草酸) w 户(草酸) 。 户(草酸) 、 户(草酸) 二
结英期种胚 !7 !
(球形胚期 )
p (草酸) 。
/此 · m L 一 ’ /% /陀 · m L 一 1 /% /雌· m L 一 ` /% /雌 .m L 一 ` /% /雌 · m L 一 ` /拼g · m L 一 1
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一O山ù勺Q曰ǎ七86
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.
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2 0 1QO月任11厅了`盆ó24890.…0
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、 指 O D A P 的质量分数 .
以盛花期最为明显 , 叶中则以苗期最 明显 . 总体
来说 , 在叶 的苗期和结荚期处理后的抑制效果最
高 (表 1处理 2 ) .
草酸或 P E G均可促进 O D A P的积累 , 而且两者
促进 O D A P 积累的效应在不同发育期乃至不同器
官中几乎相近 , 甚至 P E G 的作用稍大于草酸 的 (表
1处理 3 , 4 ) .
B H B 也 明 显 抑制了 P E G 促进 O D A P 积 累 的
效 应 . 两者共同作用后 其 O D A P 质量分数与对照
基本相近 (表 1处理 5 ) .
P E G 和草酸共同作用对 O D A P 积累具有一定
的促进 叠加效应 . 但 O D A P 的积 累量不是两者作
用效应的简单加和 , 双因子共同作用 的效应普遍
高于 P E G或草酸单因子的作用 (表 1处理 6 ) .
结荚期种胚中 O D A P质量分数在各种处理后
均显著高于各器官的 , O D A P 质量分数的基 本态势
是种胚 > 叶 >茎 > 根 (在 B H B + P EG处 理 中为种胚 >
叶 > 根 > 茎 ) . 各种处理对 O D A P 的抑制或促进作用
与其他器官或发育时期的效果一致 (表 1种胚 ) .
.2 2 不 同处理的山该豆发育过程中各器官中草
咬质且浓度的变化
从对照组结果 可见 , 各器官中草酸 的绝对质
量浓度是生长早期高于晚期 , 不同器官中又以叶
中最高 , 茎中其次 , 根中最低 , 基本态势与 O D A P 一
致 . 而 不同器官之 间的相对质量浓度则刚好相反 ,
生长时期越晚 , 倍数相差越大 , 如苗期叶中草酸质
量浓度分别为茎中的 4 . 38 倍 , 根中的 29 . 93 倍 , 而到
了结英期则为 .7 54 倍和 Zn 倍 (表 1 , 2处理 1) .
B H B 不仅降低 了各器官中 O D A P 的质量分
数 , 而且明显抑制了草酸的积累 , 但成熟种子中草
酸质量浓度变化结果表明 , 各处理愈早效应愈明
显 (表 2 ) . 如在苗期 B H B 处理后所收获的种子 中草
酸质量浓度仅为 .0 02 拼g /m L , 不足对照的 1八。 , 而
在结英期处理后收获的种子中草酸质量浓度虽然
也降低了 , 从对 照 的 .0 24 拼g / m L 降为 0 . 08 拼g / m L ,
为对照组 的 1/ 3 , 仍为前者 .0 02 拼g / m L 的 4倍 .
外源草酸或水分胁迫处理后 , 草酸质量 浓度
变化与 O D A P质量分数变化趋势一致 , 两者处理均
可促进 O D A P 和草酸的积 累 , 只是对 O D A P 而言 ,
P E G 的促进效应大于外源草 酸 ; 而 对内源 草
酸 , 则是外源草酸的作用大于 P E G (表 1处理 4 ) .
P E G 和 B H B 共同作用后 , 内源草酸质量浓 度
的变化趋势相似于 O D A P , 两者与 对照相 比均有
所降低 , 表明 B H B 对草酸 和 O D A P 的抑制效应大
于 P E G 的促进作用 (表 1处理 5 ) .
P E G 和草 酸共同处理后 , 内源 草酸和 O D A P
质量分数均有较大的增幅 , 特别是内源草酸质量
浓度增加显著 , 随着发育进程其相对增加量也在
加大 (表 1处理 6 ) .
兰 州大学学报( 自然科学版) 第4 3卷
2 . 3不 同发育时期处理后的种子百粒五及单株 有不同影响 , 越早处理影响程度越大 , 如在苗期处
籽粒数之间的关系 理后所收获的成熟种子百粒重降低了 18 .4 1% , 而单
各对照组的成熟种子中 O D A P质量分数 、草酸 株籽粒数的平均值也只有对照组 的 5 . 36 % (表 2处
质量浓度 、 种子百粒重和单株籽粒数之间没有明显 理 4 ) .
差异 , 且 以种子中 O D A P质量分数 , 草酸质量浓度 P E G与 B H B共 同作用后明显 影响种子的百
最高 ; B HB 不仅在一定程度上 抑制了 O D A P 的生 粒重和单株结实率 , 但其百粒重要高于单独用 B HB
物合成 , 降低了成熟种子中 O D A P 的质量分数 , 同 处理后所得百粒重 , 籽粒数则低于单独的 B H B 处
时抑制了草酸及成熟种子中干物质 的积累 , 减 理结果 . 在苗期处理后所收获的种子大都是干瘪
少 了单株籽粒数 , 特别是处理时期愈早影响愈严 种子 , 其百粒重仅为对照的 51 . 97 % , 单株结实率只
重 (表 2处理 1 , 2 ) . 有对照的 35 .1 7% , 后期处 理中这种效应则明显 减
草酸对 种子百粒重和单株籽粒数影响不 同 , 弱 (表 2处理 5 ) .
增加了百粒重而 降低了籽粒数 , 但均未达到显著 P E G与草酸共同作用对种子百粒重和单株籽
标准 (表 2处理 3 ) . 粒数有一定负效应 , 只是影响程度低于 P EG与 BH B
P E G对种子的百粒重和单株结实率不 同时期 的共同作用 (表 2处理 6 ) .
表 2 各发育期不同处理的种子中 O D A P 质 t 分数 、 草酸质 t 浓度 、 种子百粒皿和单株籽粒数
1恤b l e 2 C o n t e nt o f O D A P a n d o x a l i e a e i d i n t h e s e e d s o f g r as s P e a , w e i g ht 1 0 0 s e e d s a n d t h e
s e e d n u m b e r o f a s i n g l e P l a n t
.
i n e a e h d e v e l o Pm e nt P e r i o d s w it h d i价 r e nt t r e a t m e nt
苗期处理后收获的种子 分枝期处理后收获的种子 盛花期处理后收获的种子 结英期处理后收获的种子
处理风草酸) 二 m (百粒) 籽粒数 风草酸 ) 二 。 (百位 ) 籽粒数 风草酸 ) 二 m (百粒) 籽粒数 风草酸) 。 。 (百粒 ) 籽粒数
/% / g /粒 ·株一 ` /% / g /粒 ·株一 , /% / g /粒 ·株一 ` /% /g /粒·株 一 `
1 0
.
2 4 0
.
3 1 4 16
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7 8 6 9 2 7 0
.
2 5 0
.
3 3 1 17
.
0
.
5 7 2
.
1 3 0忍 7 0 . 3 2 6 17 2 6 7 1 . 5 6 0 . 2 4 0 3 2 4 1 7 . 1 9 7 2 . 10
2 0
.
0 2 0 2 6 1 9
.
2 7 2 8
.
7 4 0习 5 0 . 1 6 9 10 . 1 5 3 4 . 6 9 0 . 0 5 0忍 0 1 1 1 . 9 6 4 1 . 5 1 0 . 0 8 0 . 2 0 9 1 3 . 8 4 4 8 . 6 7
3 1
.
6 4 0 4 2 4 17忍 6 6 4 . 5 1 1 . 7 8 0 . 4 19 16 8 9 6 7 . 1 8 1 . 9 2 0 . 4 1 5 17 . 8 5 6 8 . 0 4 2 . 0 3 0 . 4 0 1 1 8 . 2 0 6 9 . 7 9
4 0
.
6 5 0
.
4 7 1 13 6 9 3 1
.
4 2 0
.
5 1 0
.
4 4 3 14 7 6 4 1
.
9 6 0
.
8 4 0
.
4 3 7 15 6 9 5 1
.
8 4 0习8 0 . 4 2 4 1 6 . 2 1 5 4 9 7
5 0
.
1 2 0
.
2 1 2 8
.
7 2 2 4 3 6 0
.
4 1 0
.
3 4 6 l l
.
9 5 3 1
.
7 2 0
.
6 7 0
.
3 1 9 l 3
.
4 5 3 4
.
7 2 0 7 l 0
.
3 0 4 l 4
.
l 5 4 2石 9
6 1
.
0 6 0
.
5 6 2 12
.
0 5 3 5
.
1 8 1
.
5 4 0
.
5 1 5 13
.
1 0 3 9石 4 1 . 6 9 0 . 4 9 8 14 . 3 9 4 5 6 8 1 . 8 4 0滩 7 8 1 5石 9 5 2 . 0 9
w 指 O D A P 的质量分数 , 风草酸 )单位为拼g’ m L 一 ’ .
3 讨论
3
.
1 草酸 、 B H B 与 O D A P 的生物合成
很多关于 O D A P 生物合成途径的研究是 以应
用 生物化学或遗传学方法控制或阻断其合成途径
为依据的 [2 1一 2 5 ] . 2 0世纪 6 0年代 , M u群 I等 tZ , l提出
-L a
, 房二氨基 丙酸 (D A PA )草酞化可 形成 O D A P ,
而 D A P A 可能是来 自丝氨酸或 天冬氨 酸 . 2() 世纪
90 年代 L A M B EI N 等即 一叫又作了较深人的研究 , 认
为 O D A P 的生 物合成是从天冬氨酸开始 , 经过一
系列作用环化形成异嘻哇一 5一酮 (I s ox a z o l i n e 一 5一 o n e ) ,
异嚷 哇一 5一酮在半肤氨酸合成酶 (C s as e )催化下取
代 o 一乙酞一丝氨酸 (o 一 a e e t y l一 L一 s e r i n e , O A S )的乙酞
基而形成庄异嚷哇一 5一酮一 2一 L一丙 酸 (尽 ( is ox a z ol in -e
5
一 o n -e 2
一” )一 L一 a l a n i n e , B xA ) . B IA再开环形成短命的
中间体 D A P A , 接着在草酞辅酶 A 合成酶和 O D A P
合成酶以及 草酸 、 辅酶 A (C o A )和 AT P的参与下 ,
D A P A被草酞化而最终合成 O D A P . 显然 O D A P 的
生 物合成包含一系列生化反应 , 涉及到多种酶 , 受
多基因控制 . 此外 , 已知 乙醇酸氧化酶 (G O )普遍存
在于 C 3植物叶片中 , 是植物光呼吸过程中的关键
酶之一 G O催化乙醇酸氧化成乙醛酸 , 又催化乙
醛酸氧化成草酸 . 本实验利用草酞辅酶 A 的前体
物草酸和 G O 的抑制剂 B H B , 研究它们与 O D A P 生
物合成的关系 . 结果表明: 外加草酸或B HB 对 OD A P
的生物合成具有部分促进或抑制效应 . 同时草酸
质量浓度随细胞内外条件的改变而变化 , 光强 、 干
旱 、 金属离子 、 病菌侵染 以及多种代谢物均可调
节 G O 的活性 , 提高或抑制草酸的合成量嘟 , 2 7! . 草
酸又诱导相关基因表达 , 合成相应基 因产物以抵
御逆境胁迫 lsz ]. 本实验结果表明 , 加草酸合成抑
制剂或相应的类似物 , 可有效地部分降低山熬豆
各器官中 O D A P 的积累量 , 特别是在生长后期 , 如
盛花期或结荚期喷施这类试剂 以降低 O D A P 的质
量分数 , 以达到安全食用或饲用范围 , 又不至于影
响 山黛豆产量和抗逆性 , 这表明: 草酸是 O D A P 生
物合成的前体物之一 , 同时也 为获得低毒山熊 豆
提供了一条切实可行而有效的途径 .
.3 2 P E G 胁迫与 O D A P 的积爪
草酸和 P E G 分别作用均可促进 O D A P 的积累 ,
两者共 同作用有一定的 累加效应 . 但两者作用机
第 1期 张 大伟等: 草酸与家山黛豆中 D OP A生物合成及其杭逆性关 系的研究
理不同 , 草酸是作为 O D A P 生 物合成的前体物之
一 , 而 P E G胁迫与 O D A P 的生物合成没有直接关
系 . 作为高分子量的水分胁迫剂又如何诱导 O D A P
的积累?它的生物学意义又如何? 随 P E G处理时间
的延长 , 过氧化物酶 (P er ox id as e , P O o) 和过氧化氢
酶 (C a t a las e , CAT )活性 降低 , 而 H Z O : 和 O D A p 质
量分数显著升高 ; 如在此过程分别加人 H ZO : 的抑
制剂二 乙基二硫代氨基 甲酸钠 (iD et 坤 l id t h ioc ar b -a
m a t e
,
D D C )或激活剂氨基三哇 (A m i n o t r i a z o l e , AT ) ,
H ZO : 含量降低或升高的同时 O D A P 的质量分数
也随之表现为相应的波动 . 所 以 , 水分胁迫诱导
O D A P 的积累与活性氧代谢密切 相关 0[, 川 . 渗透
胁迫导致多胺 ( P o ly a m i n e s , PA )和脱落酸 (A b s e i s ie
ac id
,
A B )A 的积累 l0[ , ` 2 } . 以是生物体内一种内源
活性物质 , 具有促进细胞生长 、 分化和增殖 以及延
缓衰老等作用 , 可能是一类新的植物激素 , 或可能
是类似 。 AM P 的“第二信使 ” , 调节植物生理代谢
及生长与发育 ; A B A又是植物重要内源激素之一 ,
其含量变化与多种环境胁迫有关 , 调节相关基因
表达 , 提高植物的抗逆性阳 ! . 由此推测 , P E G 胁迫
与 O D A P 积累之间是间接关系 , 是水分胁迫诱导
相关内源激素变化 , 激素与相应受体结合进而激
活胞内第二信号分子 , 促进 O D A P 生 物合成 以适
应逆境胁迫 . 尽管 A B A 和 PA 对基 因表达的调节 ,
参与核酸和蛋白质合成的多种调节效应等已有不
少报道 , 但他们对 O D A P 生物合成过 程 中有关酶
合成的调节作用的直接证据尚待进一步研究 .
.3 3 O D A P 积泉与抗逆性
最近实验 已证明 ls] , 外源经 自由基 (· O )H处 理
后 可诱导 山薰豆 中 O D A P质量分数的提高 , 如果
山黛豆种子用外源 O D A P 预处理可降低轻 自由基
的膜脂过氧化作用 , 说明 O D A P 在植 物细胞 内可
以清除轻 自由基 , 体外实验也证明了这一推论 . 从
而说明 O D A P 提高山熬豆抗逆性的重要机制之一
是清除自由基 对细胞的损伤 . 大量研究表明 , 植
物一旦遭受水分胁迫 , 其体内自由基积累 , 导致膜
脂过氧化等一系列生理变化 , 最终细胞受伤害而
死亡 . 所以植物抗氧化系统在水分胁迫下植物细
胞受伤害过程中起关键作用 . 已知在水分胁迫下
山薰豆中活性氧代谢 、 A B A 积累和多胺含量的升
高等均与 o D A P 积累相关 [9一` 2 } , 而 A B A 和多胺作
为一类 “胁迫激素” 早 已引起同行们 的广泛关注 .
研究结果表明 18 、 ’ 2 ], 外源一定量 A B A 和多胺可通
过增加保护酶活性来降低活性氧的含量 , 从而减
轻膜脂过氧化 程度 , 缓解不 良环境因素对植物的
伤害 . 本研究结果亦证明 , 在水分胁迫下 , 山黛豆
中 O D A P 积累 , 而且内源草酸质量浓度也发生相
应的变化 , 同时外源草酸对 O D A P 的积累又有一
定的促进作用 , 草酸合成抑制剂不仅抑制了草酸
的积累 , 也降低 了 O D A P 的质量分数 . 那么草酸
与 O D A P生物合成之间的关系仅仅是作为前体物 ,
还是它本身对抗逆性具有一定的调节作用? 或两
种作用兼而有之? 这些都有待进一 步研究 . 我们推
测 , 山熬豆 中 O D A P 积累与游离 P or 积累具有相似
的生物学效应 , 因为他们都是水溶性的游离氨基
酸 , 可作为渗透 调节物质 , 防脱水剂 . 在一定的干
旱范围内 , 许多植物通过渗透调节作用来维持细
胞一定的含水量和膨压势 , 从而维持细胞的正 常
功能 . 山黛豆在水分胁迫下 , O D A P 积累增加 , 推
测 O D A P 在渗透调节作用方面起重要作用 . 同时
O D A P易溶于水 , 表明它具有较强的水合能力 , 当
植物受干旱时它的增加有助于细胞或组织 的持水
作用 , 减少组织或细胞由于脱水造成的伤害 . 这些
推论的直接证据 , 尚待更深人地进行研 究 .
参 考 文 献
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e at al y t ie e fe c t o n t h e ox id at io n o f s afr an i
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【191 Y^ N Z Y , X , N G G M , L ; 2 X . Q u an t i t at i ve d e oe r m in at i o n o f ox al ie ac i d us in g v ic t o r ia b l u e b此 ed o n a c at al y t ic
k in et i c s p ec t r o p h o t o m e t r ie m e t h o d !J」. M i e or e l Lim A e t a , 20 04 , 144 : 1 9华 20 5 ·
【2 0 } w A N e F , C H E N x , C H E N Q , e t 以 . H p L e d et * , m i n at io n o f ne u r o t ox i n 各 N一 ox aly 卜-L 2 , 3一 d iam in卿叩ion i e ac id
a n d n o -n p or t e in a m i n o ac i d
s i n la t h , r钊店 s a t:姗 by p cer o lu m n d e r ivat i z at i o n w i t h l一 fl u o r -o 2 , 今d i n it r o b e n z e n e【J』.
J o u r n al o f C h or m at o gr aP hy A
,
20 0 0 , 88 3 : 1 13 118
.
{2 1」M u二 1 V V S , S E s H A D R , T R , v E N K I o s tJ B。* M人 N , A N T A . N e u r o t ox i。 。 o m p o u n d s 。 f t h e se d s o f L a ht , ” 绍
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【2 2」L A M B E : N F , O N G E N A G , K u o Y H . B e t二 i sox 。闭 o li n o n o al an i n e 15 i n v o lve d i n t h e b ios y n t h e s i s o f t h e n e u r o t ox i n
b e t -a N
一
ox a ly l
一
a lp h a , b e t , d iam i
n o p r o p io n i e ac id [J」. P h y t o e h e m i s t叮 , 199 0 , 29 : 3 79 3 3 79 6 ·
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o f L a t h ,、 s a 忿`、 【J』. Phy t o e h e m i s t甲 , 1 99 1 , 二,0 : 3 24 1一 32 44 .
{2 51 I
K E。 ^ M: F , O N o E N A G , S A K A、 R , et 品 . B i哪nt h es i , o f b et -a (is ox o o一in 一 , o n 一 2一 y l )一 al an i n e , t h e p r e e u r so r o f
t h e n e u r o t ox i n b e t , N
一
xo al y l
一
L
一
al p h a , b e t -a d i ;、m i n o p r o p io n ie ac id
,
by
e y s t e in e s y n t h as e in aL t h ,川。 s a t`姗 [J」.
P hy t
o e h e m is t yr
, 19 93 , 3 3 : 9 3
一
98
.
{2 6! L
, H G
,
M o s u
D A I , F u J l s E Y , e t al
.
S h o r t
一 e h面n ac y l一 e o A 一 d e p e n d e n t p r o d u e t i o n o f ox aj at e for m ox al o ` e t at e
勿 b u r k h o ld e r i a g l u m a , a p la n t p at h o罗 n w h ihc e an s e s 盯面 n r o t an d s e d l in g r o t o f r ice v ia t h e ox al at e【J l . J o u r n al
o f B io hc e m i s t r y
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{2 71 K o s tj s
H , Y , M I K lo N
.
R e d u e t i o n t。 b e low t h
】: es h o ld ze ve 卜 o f g ly c o la t e ox id ase ` t iv i t i es i n t r an s g e n ie t山` e o
e n h an
e e p h o t o i n h i b i t i o n d u r i n g ir r耐 i a t io n [J』. P l a n t C e l P饰 510 1, 20 00 , 4 1(12 ) : 13 8 -7 1396 ·
[2 81 z
H E N G G Y , z H A o R l
,
P E N e x
.
o x a lat -e i: d u ce d : e s i s t ajn e e o f mus
k m e lo n t o w M v
一
2 !J l
.
e h i n e se s e i e n e e
B u ll e t i n , 19 99 , 4 4 (9 ) : 179令 179 7 ·
第l 期 张大伟等: 草酸与家山黛豆 中 OA D P 生物合成及其抗逆性关 系的研究 6 9
【2 9」C HA D N ^ LRp M , R o B E二 s o N M . G e n e e x p r e s s i o n r e , l at e d b y a b s e i s i e ac id a n d i t s r e la t io n t o s t r s s t o l e r an e e ! J }.
A n n u eR
v P la n t P h y s i o l P la n t M o l B io l
, 19 94 , 4 5 : 11各 14 1 .
T h e s t u d y o f ox
a l i e a e id a n d t h e b i o s y nt h e s i s a n d
r e s i s t a n e e
o f 尽一 O D A P i n g r as s p e a ( L a 亡h , 、 5 s a t葱。 、 5 L . )
Z月滩万 G 刀 a 一 w e乞l , 尤了万G G e几夕一 m e产, YA 万 Z e 一夕沪, 叭 N G hC o 几夕一夕乞n夕1 ,
L I ltZ 乞
一城。沪 , WA N G aY一`
( 1
.
K e y L ab
o r at o斗 o f A r id an d G r as s lan d E e o lo盯 ( T h e M in i s t r y o f E d u c a t i o n ) ,
L an
z h o u U x l iv e r s it y
,
L an
z h o u 7 30 00 0
,
C h i n a ;
2
.
I n s t it u t e o f H i g h E n e r gy Phy
s i e s
,
C h i n e s e A e ad
e m i e o f S e ie n e e
,
B e ij in g 100 0 39
,
C h i n a ;
3
.
S t at e K e y L a b o r a t o r y o f A Pp lie d O r g a n i e C h e m i s t r y
,
L an
z h o u U n ive r s i t y
,
L a n z h o u 7 30 00 0
,
C h i n a )
A b
s t r a e t : A n n u a l p l a , 、 t L a武l`夕邝 , s a t坛v o s L . b e l o n g s t o t h e L e g u m i n o s ae af m i l叭 e o n t a i n i n g 庄 N 一 o x a l y l一 a ,
尽一d iam in o p r o p i o n i e (口一 O D A P ) , w h ihc 15 t h e e a u s e o f L a t h y r i s m
.
P r e lim i n ar y r e s u l t s o f t h e s t u d y i n d i e a t e
t h a t 口一 O D A P e a n fo r m fr o m t h e ac y l i z a t i o n o f L 一 a , 尽d i a m i n o p r o p i o n i e a e id (D A P A ) , t h e a e y l i z a t i o n o f
D A P A n e e d t h e p ar t i e iP a t i o n o f ox
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C-o A a l s o
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C -o A e a n fo r m fr o m t h e e o m b i n a t io n o f ox
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a e id an d Co A
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T h a t 15 t o s ay, t h
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e a e i d 15 o n e o f t h e P r e e u r s o r s o f口一 O D A P b i o s y n t h e s i s . It 15 k n o w n
t h a t g ly e o lat e xo id as
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(G O )
e x i s t s i平 th e le a f o f C 3 p la nt g e n e r a l ly . G O n o t o n l y e a n e a t a ly s e e t h y l a l e o h o l
ac id t o xo id i
z e i n t o a l d e饰 d i e ac id , b u t a l s o e a n e a t a l y s e a ld e勿 d i e a e id t o ox id i z e i n t o o x a l i e a e id . T h i s
P ap
e r 15 b as e d o n th e for m
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r k o n t h e r e l a t i o n s h iP b e t w e e n t h e e o n t e n t hc
a n g e o f ox
a li e a e id a n d t h e
ac e u m u l a t i o n an d b i
o s y nt h e s i s o f 尽O D A P i n d ife r e nt o r g an s , d i fe r e n t d e ve l o P m e n t s t a g e s o f g r as s P e a b y
e x o g e n o u s ox
a li e ac id o r b u t y l
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2
一 场d r o x y b u t y n o at e (B H B , i n h ib it o r o f G O s y nt h e s is ) a n d u n d e r w at e r s t r e s s ,
an d t il
e r e l a t i o n s h iP b e t w e e n r e s i s t a n e e o f gr as P
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an d ox
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, 口一O D A P , an d t o o fe r a n e w t r ia n o f
t h o u g h t a n d n e w t e e h n o fo g i e s t o d e ve l o P t h e r e s i s t a n e e a n d lo w tox i
e i t y o f g r as s s P e a
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r d s : L a t h夕、 s a t坛。 。 s L ;口一O D A P ; ox a l i e a e id : b u t y l一2一hy d r ox y b u t y n o a t e (B H B ): p o l y e t h y l e n e g l y e o l
(P E G )