全 文 ：
综述与专论

生物技术通报
BIOTECHNOLOGY
BULLETIN 2009年第 4期
植物生氰糖苷研究进展
张岩
汤定钦
周明兵
(浙江林学院浙江省现代森林培育技术重点实验室,临安 311300)


摘
要:
生氰糖苷在植物中具有化学防御功能,在抗病虫害方面有重要作用。同时由于在木薯、杏仁和亚麻籽等食用
植物中广泛存在, 长期食用会危害人体健康。因此, 对植物生氰糖苷的研究有重要意义。对植物生氰糖苷的结构、生物合成、
毒性机理及在抗病虫害方面的应用、转基因研究等进行了综述, 并且对其在竹亚科植物中的应用做了展望。
关键词:
生氰糖苷
生物合成
抗病虫害
转基因
Research Progress of Cyanogentic Glycosides in Plant
Zhang Yan
Tang D ingq in
Zhou M ingb ing
(Zhej iang P rovincialK ey Lab forM odern Silvicultural T echnology, Zhejiang Forestry University, Lin an 311300 )


Abstrac:t
Cyanogentic g lycosides tha tw ide ly ex ist in ed ible plan ts such as cassava, a lm ond and flaxseed, play an im portant ro le
in pest resistance in plants
A lso, it cou ld be dangerous to hea lth for eating a g rea t deal
Th is paper rev iew ed resea rch prog ress of
chem ica l structure, biosynthesis, tox ic m echan ism and application of cyanogetic g lyco sides in pest resistance, and transgenic study

Fu ture prospect o f its app lication in bam boo subfam ily w as a lso discussed

Key words:
Cyanogentic glycosides
B iosynthesis
Pest resistance
T ransgene
收稿日期: 2008
09
12
基金项目:国家自然科学基金资助项目 ( 30371181)
作者简介:张岩 ( 1983
) ,女,硕士研究生,主要研究方向为林木生物技术; E
m ai:l zhangyan8314@ 126
com
通讯作者:汤定钦, E
m ai:l tang@ zjfc
edu
cn


生氰糖苷 ( Cyanogent ic g lycosides)亦称氰苷、氰
醇苷, 是由氰醇衍生物的羟基和 D
葡萄糖缩合形成
的糖苷,已在包括蕨类植物,裸子植物和被子植物在
内的 2 650多种高等植物中发现 [ 1, 2 ]。当草食动物
和病原体损伤生氰植物 (本身含有生氰糖苷的植
物 )组织时, 组织内的

葡萄糖苷酶 (

G lucosi

dase)和

羟腈酶 (

Hydroxynitrile lyase)降解细胞
内的生氰糖苷,生成并释放出有毒的氰化氢以及葡
萄糖和醛或酮, 即产生化学防御反应 [ 3]。生氰糖苷
的生物合成过程一般包括 3个步骤, 由不同的酶催
化完成。将这些基因转入拟南芥等植物, 转基因植
物会形成生氰糖苷生物合成途径。
1
生氰糖苷的结构
生氰糖苷拥有基本的结构 (图 1) ,存在多种结构
表型。在许多蔷薇科植物的种子里首先分离出了苦
杏仁苷 ( amygdalin ) [ 4] , 在高粱中分离了蜀黍苷
( dhurrin)
[ 5]
,亚麻中分离了亚麻苦苷 ( linamarin)和百
脉根苷 ( lotaustralin) [ 6]等。在亚麻籽的壳和仁中,生
氰糖苷主要有二糖苷 ( b ioside)和单糖苷 (monog lyco

side)
[ 7]。二糖苷为

龙胆二糖丙酮氰醇 ( linustatin,
LN )和

龙胆二糖甲乙酮氰醇 ( neolinustatin, NN );
单糖苷为亚麻苦苷和百脉根苷。Sm ith等 [ 8]人用核磁
共振分析得出各组分的分子结构 (图 2), LN的熔点
为 123~ 125
5
, NN的熔点为 190~ 192
,亚麻苦苷
熔点为 139~ 141
。
2
生氰糖苷的生物合成
1960年 Akazaw a等 [ 9 ]在高粱中发现了生氰糖苷
生物合成途径, 随后在海韭菜 [ 10]、木薯 [ 11 ]、日本百脉
根 [ 12]等植物中也发现了此合成途径。Bak等 [ 13]又在
白花菜目中发现了硫代葡萄糖苷 ( glucosinolate)途径
和烯氰糖苷 ( cyanoa lkenyl g lucoside)途径,硫代葡萄
糖苷和烯氰糖苷是生氰糖苷的重要衍生物, 功能
相似。
生氰糖苷合成过程中涉及了 3大类酶, 分别属
2009年第 4期 张岩等:植物生氰糖苷研究进展
图 1
生氰糖苷基本结构
图 2
亚麻籽生氰糖苷结构
于 CYP79、CYP71家族的两种细胞色素 CYP450(也称
P450)及葡萄糖转移酶 UGT85B1。CYP450是一类以
还原态与 CO结合后在波长 450 nm处有吸收峰的含
血红素的单链蛋白质 [ 14]。CYP450基因是一类古老
的基因超家族,根据 CYP450氨基酸序列的相似性分
类命名为家族 ( CYP1, 2
),亚家族 (A, B
), 单个
基因 (A1, 2
), 所编码的氨基酸序列同源性分别为
大于 40%、55%和 97% [ 15]。在模式植物高粱中,生氰
糖苷的合成途径如图 3所示:在 CYP79A1的催化下,
L
酪氨酸 ( L
Tyrosine)的氮端被羟基化,经脱水和脱
羧化反应生成相应的乙醛肟,即对羟基苯乙醛肟 ( p

hydroxyphenylaceta ldox ime) ; 在 CYP71E1的催化下,
对羟基苯乙醛肟经脱水反应及碳端羟基化后转变为
醇腈,即对羟基苯乙醇腈 ( p
hydroxymandelon itrile ),
随后经过糖苷转移酶 UGT85B1糖基化为蜀黍苷 [ 16]。
CYP79A1活性低于 CYP71E1, 表明 CYP79A1催
化蜀黍苷生物合成具有限速作用 [ 17]。CYP71E1不稳
定,容易在室温下降解,因此通常需在低转速情况下
被分离。并且对底物的要求不是很严,能有效地代谢
芳香族氧化物, 但对脂肪族氧化物代谢较慢 [ 18]。
UGT85B1为 UDP
葡萄糖基转移酶 (UDP
g lucosy ltras

图 3
蜀黍苷的合成途径
ferase)
[ 19]
, 在生氰糖苷合
成过程中, UGT85B1能把
有毒的对羟基苯乙醇腈迅
速糖基化,防止其分解成氰
化氢和对羟基苯甲醛 ( p

hydroxybenzaldehyde)
[ 20]。
不同植物中,催化生氰
糖苷生物合成的酶是不同
的,但都是由 CYP79同源基
因编码, 并与高粱上的
CYP79A1具有功能上的相似
性。如在木薯中,催化生氰
糖苷合成第一步的酶是
CYP79D1和 CYP79D2[21],在
日本百脉根中则是 CYP79D3
和 CYP79D4,两种酶在同一植物中有相同的催化参数
并进行共表达 [ 11]。海韭菜中的 CYP79E1和 CYP79E2
生成两种生氰糖苷


红豆杉氰苷 ( tax iphyllin)和海
韭菜苷 ( trig lochin in) [ 22]。
不同植物中合成生氰糖苷的部位有所差异。例
如高粱 CYP79A1主要表达于幼苗 [ 17] ; 日本百脉根
CYP79D3主要表达在叶子, 而 CYP79D4在根组织
上表达相对低,表明生氰糖苷的积累发生在顶端组
织 [ 12]。在木薯中, 生氰糖苷先在地上部分合成, 随
后运送到根部贮存 [ 23 ] ,第一片展开的叶子和叶柄具
有最高的生氰糖苷生物合成活性。在叶肉细胞和韧
皮部细胞周围的组织,在维管束之间维管组织的软
组织细胞区域,特别是在原生木质部和次生木质部
之间的细胞, CYP79D1和 CYP79D2具有较高的表
达。CYP79D1和 CYP79D2在表皮和皮层细胞及叶
肉细胞周围表达, 表现出生氰糖苷作为生化杀虫剂
的功能 [ 13]。
3
生氰糖苷的毒性机理及在抗病虫害方面
的应用
生氰糖苷本身不呈现毒性。当生氰植物被动物
采食、咀嚼或被病原体侵染后,受损的组织细胞内的
生氰糖苷与

葡萄糖苷酶和

羟腈酶接触而被降
解, 释放出有毒的氰化氢 (HCN )以及葡萄糖和醛或
酮, 从而阻止食草动物和病原体的进一步伤害,即产
生了化学防御反应 (图 4)。
13
生物技术通报 B iotechnology
Bulletin 2009年第 4期
图 4
生氰糖苷代谢过程
生氰糖苷在阻止食草动物上效果不同, 与植物
的形态学、生理学,生氰糖苷的浓度及动物的行为有
关 [ 24]。例如,将李属的几种植物的叶子喂养日本金
龟子, 结果发现叶子中生氰糖苷浓度和虫子摄食强
度之间存在负相关 [ 25, 26]。另有报道表明, 牛 [ 27 ]、
羊 [ 28]和其它食草的哺乳动物 [ 29 ]在食用生氰植物后
可导致死亡或严重的疾病, 许多昆虫和软体动物也
会避开吃生氰植物 [ 30, 31 ]。生氰糖苷并不总能有效
地阻止所有的草食动物, 也不是所有的生氰植物都
能释放出足够的氰化物导致毒性。然而, 当草食动
物吃生氰植物时必须要有适应过程 [ 24 ]。
4
转基因方面的研究
将高粱中编码 CYP79A1、CYP71E1和 UGT85B1
的基因转入拟南芥, 转基因拟南芥形成了生氰糖苷
合成途径,可生成积累达 4%干重的酪氨酸衍生的
生氰糖苷黍蜀苷。当只转录 CYP79A1和 CYP71E1
可导致植株矮小,且积累许多生物合成中间体的新
糖苷, 并会丢失十字花科本身独特的紫外保护剂芥
子酰基葡萄糖 ( sinapoy l g lucose)和芥子酰基苹果酸
( sinapoy lma late) , 表明生氰糖苷正常表达还需要
UGT85B1的表达 [ 32]。而只转入 CYP79A 1, 则会出
现与下游硫代葡萄糖苷合成酶高效相互作用的过
程,即积累大量的对
羟苯基硫代葡萄糖苷 [ 33]。将
高粱的上述 3种基因转入葡萄,转基因葡萄同样表
达生氰糖苷生物合成途径 [ 34 ]。
木薯 CYP79D2对缬氨酸和异亮氨酸有相同的
催化效率,可生成比例大约为 1
1的亚麻苦苷和百
脉根苷 [ 35]。日本百脉根 CYP79D3对异亮氨酸的催
化效率比缬氨酸高 6倍 [ 12]。将木薯中的 CYP79D2
转入日本百脉根, 转基因日本百脉根催化了更多的
缬氨酸,积累更多的亚麻苦苷,从而接近木薯中的亚
麻苦苷和百脉根苷比例 [ 12]。木薯 CYP79D2异源表
达也可用来改变拟南芥的硫代葡萄糖苷状况 [ 36]。
催化生成生氰糖苷的酶基因转入其它植物后,
转基因植物可通过生氰糖苷的合成途径,积累生氰
糖苷,达到阻止昆虫危害的目的。如将高粱中催化
生成生氰糖苷的 3种酶基因转入拟南芥,结果检测
发现拟南芥生成了蜀黍苷类物质, 专食十字花科植
物的跳蚤甲虫对含有黍蜀苷的拟南芥避而远之 [ 37]。
另有研究将高粱的 3个基因转入葡萄后,以葡萄根
为食的昆虫根瘤蚜不再吃转基因葡萄根 [ 33]。显示
了基因工程在农作物抗病虫害改良方面的巨大
潜力。
5
展望
程科军等 [ 38]从苦竹笋中分离得到一种具有酪氨
酸酶抑制活性的生氰糖苷


紫杉氰醣甘 ( tax iphyl

lin) ,目前已在小佛肚竹中首次分离和鉴定到有活性
的生氰糖苷合成的关键酶,其编码基因为 CYP79家
族同源基因 ( GenBank登录号: DQ409175) ,表明在竹
亚科可能存在有生氰糖苷的合成途径。研究生氰糖
苷在竹亚科生物合成途径以及抗虫抗病机理,通过基
因工程手段对提高竹类植物抗病虫害的能力以及作
为基因资源增强农作物抗病虫害能力具有重要意义。
笋的生氰作用不可忽视,因为生氰作用产生的有毒的
氰化氢只有在水中浸泡或煮沸时毒性才会消失。因
此,研究竹类植物生氰糖苷的生物合成,有助于人为
地调控生成途径中的基因,从而干扰其毒性的产生,
保证食笋的安全性。
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