全 文 ：植物学报Chinese Bulletin of Botany 2009, 44 (6): 643-655, w w w .chinbullbotany.com
doi: 10.3969/j.issn.1674-3466.2009.06.001
收稿日期 : 2008-10-09; 接受日期 : 2008-11-14
基金项目 : 国家自然科学基金 (No.3050081)
* 通讯作者。E-mail: dw w ang@genetics.ac.cn
.特邀综述.
拟南芥和作物中维生素 C生物合成与代谢研究进展
余春梅 1, 2 , 李斌 1 , 李世民1, 陈静 1 , 王道文1 *
1中国科学院遗传与发育生物学研究所植物细胞与染色体工程国家重点实验室, 北京 100101
2南通大学生命科学学院 , 南通 226007
摘要 维生素C(vitamin C, Vc)是动植物体内含量较为丰富且发挥着重要功能的小分子物质。该文综述了近年来以模式植物
拟南芥为实验材料研究Vc生物合成和代谢取得的进展, 并对作物中类似的研究进行了概述。总结的信息对于在作物中进一步
开展Vc合成与代谢研究并通过分子育种提高作物的抗逆性和营养价值具有参考意义。
关键词 拟南芥 , 生物合成 , 作物育种 , 代谢 , 维生素C
余春梅 , 李斌 , 李世民 , 陈静 , 王道文 (2009). 拟南芥和作物中维生素 C生物合成与代谢研究进展 . 植物学报 44, 643-655.
维生素 C(vitamin C, Vc)是动植物体内重要的氧
化还原剂 , 其还原态称为抗坏血酸 (ascorbi c ac id,
AsA), 氧化态统称为脱氢抗坏血酸(dehydroascorbic
ac id)。Vc 参与体内活性氧清除 , 调控细胞分裂和细
胞生长, 并作为多个酶的辅因子参与多种生理过程
(Smirnoff, 2000; Conklin, 2001; Valpuesta and Botella,
2004; Ishikawa et al., 2006; Fransson and Mani, 2007;
Zhang et al., 2007; Ishikawa and Shigeoka, 2008)。
早在 1960年, 人们就对动物细胞中Vc合成途径进行
了研究(Burns, 1960), 而植物中从头合成 Vc 途径的
研究滞后了近 40年。Wheeler等(1998)在前人利用同
位素示踪技术确定 D-甘露糖和 L-半乳糖为 Vc合成
前体物质的基础上 , 确定了一些参与 Vc生物合成的
酶, 并利用拟南芥(Arabidopsis thaliana)中影响Vc生
物合成突变体的鉴定 , 提出了经过GDP-甘露糖和 L-
半乳糖的 Vc从头合成途径。在随后 10年间, 随着分
子遗传学和基因工程的发展, 该生物合成过程中的基
因和酶都在遗传学和生物化学等方面得到了不同程
度的研究。除了该过程外 , 研究者也提出了植物细胞
中还可能存在一些其它的 Vc 合成途径(Va lpuesta
and Botella, 2004; Ishikawa et al. , 2006; Debolt et
al. , 2007), 但目前对这些新合成途径的认识还很有
限。除了对 Vc合成的认识, 人们对 Vc在植物体内的
再生和生物降解过程也有了较为深入的了解, 从而对
植物体内Vc的代谢和整体平衡有了比较完整的理解
(Debolt et al. , 2007)。
人类和一些灵长类动物由于体内合成Vc的最后
一个酶发生了突变 , 需要从膳食中摄取 Vc(Fransson
and Mani, 2007)。鉴于 Vc在生物体内重要的生物学
功能, 提高膳食(蔬菜、水果等)中的 Vc 含量和利用
Vc增强作物抗逆能力的研究显得尤为重要。在过去
几年中, 一些研究者已经综述了高等植物中 Vc合成
途径和部分基因的分子生物学研究结果(Conk l in ,
2001; Valpuesta and Botella, 2004; 安华明等, 2004;
胡英考等, 2004; 王锁民等, 2004; 刘永立等, 2006)。
本文简要综述了在模式植物拟南芥中 Vc合成、再生
和生物降解过程的最新研究进展, 并概述了在农作物
和水果蔬菜如番茄(Solanum lycopers icum)、苹果
(Malus domestica)等中的类似研究。
1 植物细胞中Vc生物合成途径
1.1 植物细胞中Vc从头合成的主要途径
植物细胞中 Vc的从头合成途径(Smirnoff-Wheeler途
644 植物学报 44(6) 2009
径, 又称 GDP-mannose途径)涉及 9种酶(图 1, 反应
1-9)。反应 1利用植物光合作用的产物葡萄糖 -6-磷
酸形成果糖 -6-磷酸, 在植物体内有多个用途 (Yu et
al., 2000)。通过正向遗传学方法已证明催化第 3、4、
6和7步反应的酶在拟南芥中参与了Vc生物合成, 另
外, 反应 2、3、5、8和 9也已分别通过反向遗传学、
生物化学或转基因实验等手段证明参与了Vc生物合
成(Conklin et al., 1999, 2006; Yu et al. , 2000; Tabata
et al., 2001; Wolucka et al. , 2001; Gatzek et al., 2002;
Wolucka and van Montagu, 2003; Laing et al., 2004,
2007; Dowdle et al. , 2007; Qian et al., 2007; Linster
et al., 2007, 2008; Hoeberichts et al., 2008; Maruta
et al., 2008)。表 1总结了上述 9个酶的主要功能特
征和编码基因的情况。在进行上述研究过程中 , 研究
者们还揭示了下述 5个重要现象。
(1)一些酶的编码基因有2-3个成员, 但遗传学研
究表明并不是每个成员都参与 Vc的生物合成。在负
责合成 V c 的 9 个酶中 , 葡萄糖 - 6 - 磷酸异构酶
(phosphoglucose isomerase, PGI)、甘露糖 -6-磷酸
异构酶(phosphomannose isomerase, PMI)、GDP-甘
露糖焦磷酸化酶(GDP-mannose pyrophosphory lase,
GMPase)和GDP-半乳糖磷酸化酶(GDP-L-galactose
phosphorylase, GGP)由多个基因编码(表 1)。根据现
有数据, 编码 PMI的 2个基因(PMI1和 PMI2)中, 只有
PMI1参与 Vc 合成(Maruta et al. , 2008)。在编码
GMPase的 3个基因(At2g39770、At3g55590和
At4g30570)中, At2g39770发生突变的植株中 Vc 含
量只有野生型的 20 %-30% , 而 A t 3 g555 90 和
At4g30570不能互补At2g39770的功能(Conklin et al.,
1999; Luk owitz et al . , 2001)。目前还没有关于
At3g55590和At4g30570功能的具体研究报道。编码
GGP 的 2个基因 At4g26850(VTC2)和 At5g55120
(VTC5)均参与了Vc的合成(Laing et al., 2007; Linster
et al., 2007; Dowdle et al. , 2007)。
(2)一些酶编码基因的转录具有光诱导特性, 而这
种特性与光诱导植物细胞中 Vc 含量增加是一致的。
从整体上看, 拟南芥叶片中的 Vc含量具有昼夜节律
的变化: 在有光条件下 , Vc 含量上升; 而在夜晚, Vc
含量下降。根据现有研究结果, 受光诱导的 Vc合成
相关基因为 PMI1、V TC2 (A t4g26850 )、VT C5
(At5g55120)和 GalLDH。在 24小时连续光照或强光
条件下, 均能检测到这些基因的诱导表达和相应酶活
性的增加, 同时植物叶片中 Vc含量上升(Tamaoki et
al., 2003; Dowdle et al. , 2007; Maruta et al., 2008)。
Yabuta等(2007)的实验表明, 连续 3天光照条件下 ,
叶片中的 AsA含量增加, VTC1、VTC2、GPP(VTC4)
和 GalLDH转录本水平上升。
(3)已经从生物化学或遗传学角度证明一些酶不
是 Vc 合成途径的限速酶。外源施加 D-甘露糖并不
引起 Vc含量的增加, 而施加L-半乳糖和 L-半乳糖内
酯时植物体内 Vc 含量分别增加 70倍和 90倍, 因此
研究者认为 Vc 合成的限速步骤在甘露糖 -1-磷酸和
L-半乳糖之间(图 1, 反应 4-7之间), 即 PGI、PMI、磷
酸甘露糖变位酶(phosphomannomutase, PMM)、L-
半乳糖脱氢酶(L-galactose dehydrogenase, GalDH)和
L-1,4-半乳糖内酯脱氢酶 (L-galac tono-1,4-lactone
dehydrogenase , Ga lLDH)不是 Vc 合成的限速酶
(Wheeler et al., 1998; Davey et al. , 1999)。在过量表
达 PMM的拟南芥株系中, PMM的活性增加 10倍以
上, 而 Vc 的总含量只提高了 25%-33%(Qian et al.,
2007)。将拟南芥的 Gal DH基因在烟草(Nicot iana
tabacum)中过量表达后 , 转基因植株中的 Vc含量几
乎没有变化(Gatzek et al., 2002)。上述研究结果进
一步证明 PMM和GalDH不是Vc合成途径的限速酶。
GDP -甘露糖 -3 5 - 差向酶(G DP -m annose -3 , 5 -
epimerase, GME)受到Vc的反馈抑制, 而且该酶需要
伴侣蛋白 Hsp90的协同作用 , 因此推测它可能是拟
南芥中 Vc 生物合成的限速酶(W ol uck a and van
Montagu, 2003)。
(4)一些酶除了参与 Vc合成外, 还调控一些重要
的生理生化过程 , 如 PMM和 GMPase。这些酶活性
降低时, 除了影响 Vc 合成外, 对细胞壁的合成以及
蛋白质的糖基化也发生影响。Hoeberichts等(2008)
的研究结果表明pmm-12为温度敏感型突变体 , 该突
645余春梅等: 拟南芥和作物中维生素C生物合成与代谢研究进展
表
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646 植物学报 44(6) 2009
变体在 16-18°C时可以正常生长 , 但将植物转移到
28°C下会逐渐死亡 ; 在该条件下, 外源施加 Vc 合成
的前体物质 L-1,4-半乳糖内酯并不能恢复植物的生
长, 其原因是突变体中蛋白质糖基化受到严重抑制。
图 1 目前提出的植物 (反应 1-16, 24)和动物(反应 17-24)细胞中 Vc 的生物合成途径 (Smirnoff , 2000; Ishikaw a et al., 2006)
催化反应的酶 1: 葡萄糖 -6- 磷酸异构酶(PGI); 2: 甘露糖 -6- 磷酸异构酶(PMI); 3: 甘露糖磷酸变位酶(PMM); 4: GDP-甘露糖焦磷
酸化酶(GMPase) ; 5: GDP-甘露糖 -3 5-差向酶(GME) ; 6: GDP-L-半乳糖磷酸化酶 (GGP) ; 7: L-半乳糖 -1-磷酸化酶(GPP) ; 8: L-半
乳糖脱氢酶(GalDH); 9: L-1,4-半乳糖内酯脱氢酶 (GalLDH) ; 10: 甲基酯酶(有待进一步证实 ); 11: 半乳糖醛酸还原酶 (有待进一步
证实); 12: 醛缩内酯酶 ; 13: 磷酸二酯酶(有待进一步证实 ); 14: 糖磷酸化酶(有待进一步证实 ); 15: 古洛糖脱氢酶 (GulDH) ; 16: 肌
醇加氧酶(MIOX); 17: 葡萄糖磷酸变位酶 (PGM); 18: UDP-葡萄糖焦磷酸化酶 (UGPase); 19: UDP-葡萄糖脱氢酶 (UDP-GluDH); 20:
葡萄糖醛酸 -1- 磷酸尿苷酰转移酶 ; 21: 葡糖醛酸激酶; 22: 葡糖醛酸还原酶 ; 23: 醛缩内酯酶; 24: 古洛糖酸 -1,4- 内酯脱氢酶
(GulLDH)
Figur e 1 Proposed biosynthetic pathw ays of Vc in plant (reactions 1-16, 24) and animal cells (reactions 17-24) (Smirnof f, 2000;
Ishikaw a et al., 2006)
Steps of reac tion 1: Glucose-6-phosphate isomerase (PGI); 2: Mannose-6-phosphate isomerase (PMI); 3: Phosphomannomutase
(PMM); 4: GDP-mannose pyrophosphory lase (GMPase); 5: GDP-mannose-3,5-epimerase (GME); 6: GDP-L-galactose phosphory-
lase (GGP); 7: L-galactose-1-phosphate phosphatase (GPP) ; 8: L-galactose dehydrogenase (GalDH); 9: L-galactono-1,4-lactone
dehydrogenase (GalLDH) ; 10: Methylesterase (to be confirmed) ; 11: D-galacturonate reduc tase ( to be conf irmed); 12: Aldono-
lactonase; 13: Phosphodiesterase ( to be conf irmed); 14: Sugar phosphatase ( to be conf irmed); 15: L-gulose dehydrogenase
(GulDH); 16: Myo-inositol oxygenase (MIOX); 17: Phosphoglucomutase (PGM); 18: UDP-glucose pyrophosphorylase (UGPase); 19:
UDP-glucose dehydrogenase (UDP-GluDH); 20: Glucuronate-1-phosphate uridy lyltransferase; 21: Glucurono kinase; 22: Glucuronate
reduc tase; 23: Aldono-lactonase; 24: Gulono-1,4- lac tone dehydrogenase (GulLDH)
647余春梅等: 拟南芥和作物中维生素C生物合成与代谢研究进展
因此认为 pmm-12的致死表型是由于蛋白质糖基化
受阻而诱发 , 并不是因为体内 Vc 含量下降导致的。
这项工作显示 PMM在植物体内不仅参与 Vc的生物
合成, 也调控蛋白质的翻译后修饰(Hoeberichts et al.,
2008)。具有类似功能的还有GMPase, 缺失GMPase
的突变体(cyt1)中, 细胞壁的组分和蛋白糖基化均受
到影响, 因而表现出胚性致死表型(Lukowitz et al. ,
2001)。另外, GME的产物 GDP-半乳糖是植物细胞
壁的重要组分之一(Wolucka et al., 2001; Wolucka
and van Montagu, 2003), 可以推测GME的功能缺失
也可能具有双重效应 , 既降低 Vc含量又影响植物细
胞壁的合成。
(5)一些酶表现出多种催化活性。重组的PMM除
了具备磷酸甘露糖变位酶活性外, 尚有一定程度的磷
酸葡萄糖变位酶(phosphoglucomutase, PGM)的活性
(Qian et al., 2007)。GME催化形成 2种产物, GDP-
半乳糖和 GDP-古洛糖, 而这 2种产物的相对量则依
赖于酶的状态(Wolucka and van Montagu, 2003)(图
1, 反应 5)。VTC4酶除了具有 L-半乳糖 -1-磷酸化酶
(L-galactose-1-phosphate phosphatase, GPP)的活性
外, 还具有肌醇单磷酸酶 (myo-inositol-1-phosphate
phosphatase, IMPase)的活性, 但是 VTC4作为 GPP
的活性要高于作为 IMPase的活性(Laing et al., 2004;
Conk lin et al., 2006)。这些酶具有的多种生化活性,
使Vc合成与其它物质的代谢联系起来 , 增加了Vc合
成途径调控的多样性和复杂性。
1.2 植物细胞中Vc合成的旁路途径
除了以上所述 Vc合成的主要途径外 , 研究者还提出
了一些 Vc 合成的旁路途径(图 1, 反应 10-16, 22-
24)。 (1)Agius等(2003)报道草莓(Fragaria ananassa)
果实成熟过程中 Vc含量大幅提升 , 是由于细胞壁胶
质成分降解后 , 通过半乳糖醛酸还原酶(图1, 反应11)
还原为半乳糖醛酸, 最终与主要合成途径共享 L-半
乳糖 -1, 4-内酯脱氢酶(图1, 反应9)合成Vc。(2) GDP-
D-Man-3,5-异构酶催化2种异构化反应生成GDP-半
乳糖和 GDP-古洛糖 2种产物, 因此 GDP-古洛糖可
能成为 Vc从头合成途径的又一个中间产物 , 但有关
该过程中的其它酶并没有在植物体内得到证实(图1,
反应 13-15)(Wolucka and van Montagu, 2003)。(3)
Lorence等(2004)报道了 Vc 合成的另一个可能途径
——肌醇参与途径。在拟南芥中过量表达肌醇氧化
酶(图 1, 反应 16) , 叶片中的 Vc 含量增加 2-3倍。
Zhang等(2008)的研究表明, 拟南芥紫色酸性磷酸酶
15(purple acid phosphatase 15, PAP15)具有肌醇 -1-
磷酸酶的活性 , 过量表达 AtPAP15的株系中, Vc 含
量增加 1倍。在以上 3条旁路途径中 , 第 1条可能是
某些果实成熟过程中才会启动的反应 , 而其它2种途
径可能是植物在某些特殊条件下才启动的过程。另
外, Jain和 Ness ler(2000)将大鼠合成 Vc的最后一个
酶(古洛糖酸 -1,4-内酯氧化酶)分别在生菜(Lactuca
sativa)和烟草(Nicotiana tabacum)中过量表达, 转基
因植株叶片中的 Vc含量提高 4-7倍, 同时也有 2篇
报道显示在植物细胞中发现存在类似古洛糖酸 -1,4-
内酯氧化酶 (脱氢酶)的活性(Davey et al. , 1999;
Wolucka and van Montagu, 2003)(图 1, 反应 24), 因
此植物细胞中也可能存在与动物细胞部分相同的Vc
合成途径, 但是有关上述旁路途径的推断还需要进一
步深入的研究来证实。
2 植物中Vc循环再生与生物降解
植物细胞内还原型 Vc在过氧化氢(H2O2)存在下被胞
内的抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate perox idase,
APX)作用而形成单脱氢 Vc(monodehydroascorbate,
MDA), 进而通过非酶促反应形成氧化型(双脱氢)Vc
(dihydroascorbate, DHA), 而单、双脱氢的Vc分别在
单、双脱氢抗坏血酸还原酶作用下可再生成还原型
V c (图 2 , 反应 3 和 4 ) , 双脱氢抗坏血酸还原酶
(dihydroascorbate reductase, DHAR)的作用依赖于
它与谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase, GR)和谷
胱甘肽的偶联(图 2, 反应 5)。细胞壁中还原型 Vc在
抗坏血酸氧化酶(ascorbate ox idase, AOX)作用下形
成MDA。维持AsA/DHA比例是调节细胞内多种生理
648 植物学报 44(6) 2009
功能的基础(Smirnoff, 2000, 2001; Smirnoff et al. ,
2001)。
DHA 经过 2 种不同降解方式产生的降解物(草
酸、酒石酸)(图 2), 都具有重要的生理意义。草酸
(oxalic ac id)可进一步与体内的钙形成草酸钙结晶
(CaOx), 对调节植物细胞中钙水平、有害金属离子的
吸收和对害虫的抗性都有积极意义(Nakata, 2003;
Green and Fry, 2005; Franceschi and Nakata, 2005)。
另外, DHA 降解为草酸的过程中可产生 H2O2, 而
H2O2作为信号物质能促进细胞壁的松弛, 有利于细
胞扩张和果实成熟过程中的软化(DeB ol t e t a l. ,
2006)。DeBolt 等(2006)在葡萄(Vitis vinifera)中得到
了天然不积累酒石酸的品种, 并发现其不积累酒石酸
的原因是缺失编码艾杜糖酸脱氢酶(图2, 反应8)的基
因, 从而在分子遗传学水平证实了从 DHA 降解到酒
石酸的过程需要艾杜糖酸脱氢酶的参与。同时该研
究还表明在缺失艾杜糖酸脱氢酶的品种中, Vc 含量
显著高于有酒石酸积累的品种。该研究结果为提高
蔬菜水果和作物中的 Vc 含量提供了一个新的思路。
在诸多试图通过超量表达合成途径中的酶来增加Vc
含量的方法效果不是很明显的情况下(Ishikawa et al.,
2006), 未来的研究可在增加合成途径相关酶表达量
的同时, 沉默与 Vc 降解有关的酶, 从而使植物细胞
中的 Vc 含量得到较大幅度的增加。
3 作物中Vc合成与代谢
3.1 禾本科作物的Vc合成与代谢
水稻(Oryza sat iva)是禾本科作物的重要模式植物。
在水稻基因组测序完成后 , 我们利用参与拟南芥
图 2 Vc 在植物体内的再生和降解
催化反应的酶 1: 抗坏血酸氧化酶 (A OX); 2: 抗坏血酸过氧化物酶 (A PX); 3: 单脱氢抗坏血酸还原酶 (MDA R) ; 4: 双脱氢抗坏血酸
还原酶(DHAR); 5: 谷胱甘肽还原酶 (GR); 8: 艾杜糖酸脱氢酶 ; 12: 酯酶。其它反应步骤中的酶尚缺乏深入研究。灰色标记表明
AsA和 DHA在这些代谢中的连接。
Figur e 2 The recycle and decay of V c in plants
Steps of reaction 1: A scorbate oxidase (A OX) ; 2: Ascorbate perox idase (APX); 3: Monodehydroascorbate reduc tase (MDAR); 4:
Dihydroascorbate reductase (DHAR); 5: Glutathione reduc tase (GR) ; 8: L-idonic acid dehydrogenase; 12: Es terase. No detailed
studies have been reported on the enzymes involved in other reac tions. The boxes shaded in grey indicate the central role of A sA
and DHA among the recyc le and decay of Vc in plants.
649余春梅等: 拟南芥和作物中维生素C生物合成与代谢研究进展
Smirnoff-Wheeler Vc合成途径基因的序列查询水稻
基因组数据库(www.ncbi.nlm.nih.gov, www.t igr.org),
发现了一系列对应的水稻同源基因(表 2)。目前, 水
稻中除对 PMM和 GME 基因在分子和生物化学水平
上有一些研究外(Watanabe et al., 2006; Qian et al.,
2007), 其它参与Vc合成过程的基因尚没有在功能上
获得验证。在其它农作物中 , Bartol i等(2005)对普通
小麦(Trit icum aest ium)的 GalLDH(图 1, 反应 9)在生
化和分子水平进行了研究 , 发现小麦叶片中 GalLDH
表达和活性的变化并不是决定叶片 Vc 含量的因素。
除上述研究外 , 在禾本科作物中未见有关 Vc主要合
成途径中其它酶的研究报道。值得一提的是 , 在水稻
基因组中 , 与拟南芥 VTC4(At3g02870)同源的基因
Os03g0587000没有被注释为GPP酶, 而被注释为肌
醇单磷酸酶(IMPase)。Laing等(2004)和 Conklin等
(2006)的研究表明, VTC4是一个双功能的酶 , 而且其
作为 G P P 的活性要高于作为 I M P a s e 的活性 ,
Os03g0587000编码的酶是否与拟南芥 VTC4具有相
似的特性, 还需要进一步的研究。
与上述研究相比, 在作物中对抗坏血酸再生相关
酶的研究则比较多 , 其中许多是围绕逆境条件下
APX、DHAR和 GR的活性方面展开的, 反映了这些
酶与植物抗逆能力的高度相关性(Shigeoka et al. ,
2002; Paradiso et al., 2008)。目前, 作物中在分子生
物学和遗传学方面进行了比较系统的研究的是水稻的
APX。在水稻中存在 8个编码 APX的基因成员, 各个
成员不仅在器官表达模式上具有差异, 它们在亚细胞
水平上的分布以及对逆境的响应也不尽相同(Teixeira
et al., 2004, 2006; Hong et al., 2007; Lu et al., 2007)。
在盐胁迫下, 通过脱落酸(abscis ic acid, ABA)积累可
上调OsAPx8的表达, 从而建立了 APX基因表达调控
与环境因子及植物激素之间的关系(Hong et al., 2007)。
尽管对水稻 APX的研究并没有涉及 APX与植物体内
Vc的关系, 但我们可以推测植物的逆境应答与 Vc的
氧化还原有密切关系。此外 , 对小麦以及大麦
(Hordeum vulgare)中的 APX基因也有一定的研究, 它
们的表达也与植物的逆境反应相关(Shi et al., 2001;
Chen et al., 2006)。普通小麦 DHAR(TaDHAR)基因也
得到了较多的研究。Chen等(2003)将TaDHAR分别在
烟草和玉米(Zea mays)中过量表达, 叶片和籽粒中的
Vc含量提高了 2-4倍。最近 Chen和 Gallie(2008)发
现, 过表达TaDHAR的转基因烟草叶片在强光条件下,
表 2 拟南芥和水稻基因组中可能参与 Smirnof f-Wheeler V c合成途径基因的生物信息学分析
Table 2 Bioinformatic analysis of Arabi dopsis thali ana and rice genes potentially involved in Vc biosynthes is through Smirnof f-
Wheeler pathw ay
酶 基因
拟南芥(Arabi dopsis thal iana) 水稻(Oryza sativa ssp j aponica)
甘露糖 -6-磷酸异构酶 At3g02570 (PMI1) Os01g0127900
(phosphomannose isomerase, PMI) At1g67070 (PMI2) Os09g0389000, Os11g0600900
磷酸甘露糖变位酶 At2g45790 Os04g0682300
(phosphomannomutase, PMM)
GDP-甘露糖焦磷酸化酶 At2g39770 (VTC11/CYT1) Os01g0847200
(GDP-mannose pyrophosphorylase, GMPase) At3g55590 Os03g0268400
At4g30570 Os08g0237200
GDP-甘露糖 -3 5- 差向酶 At5g28840 Os10g0417600
(GDP-mannose-3,5-epimerase, GME)
GDP-半乳糖磷酸化酶 At4g26850 (VTC2) Os01g0901300
(GDP-L-galactose phosphorylase, GGP) At5g55120 (VTC5) Os12g0190000
L- 半乳糖 -1-磷酸化酶(L-galac tose-1- At3g02870 (VTC4) Os03g0587000
phosphate phosphatase, GPP)
L- 半乳糖脱氢酶 At4g33670 Os12g0482700
(L-galac tose dehydrogenase, GalDH)
L-1,4-半乳糖内酯脱氢酶 At3g47930 Os11g0143500, Os12g0139600
(L-galac tono-1,4- lac tone dehydrogenase, GalLDH)
650 植物学报 44(6) 2009
光抑制现象的程度比野生型叶片要低。相反, 将烟草
中内源 DHAR沉默后, 光抑制现象增强。
除上述研究外 , Guo等(2005)通过生理生化分析
发现, 外源施加 Vc和 Vc合成前体物质(L-galac tono-
g-lactone)后, 水稻根和茎中 Vc和可溶性草酸化合物
的含量显著增加。与此同时, 植株对寒冷、水分胁迫
和金属铝离子的耐受能力均得以提高(Guo et a l. ,
2005)。该研究证实了植物体内 Vc总量增加的同时 ,
其生物降解途径也可能变得更为活跃, 这在一定程
度上解释了在过量表达Vc合成途径相关酶的情况下,
虽然能在植物体内检测到相关酶的高表达和活性增
加, 但 Vc 总量却未能成比例增加的原因(Ishikawa et
al., 2006)。另一方面, 该研究也暗示, 除了 Vc本身含
量的增加能够提高植物的抗逆能力外, 通过其降解产
生的草酸化合物的积累也可以增强植物的抗逆性。
3.2 水果和蔬菜作物的Vc合成与代谢
在水果和蔬菜作物中 , Vc 合成与代谢的研究主要涉
及以下几个方面: (1)调控 Vc 含量遗传位点的鉴定;
(2)通过比较基因组学认识参与 Vc 合成途径的基因;
(3)果实成熟过程中 Vc 含量的变化等。
3.2.1 控制 Vc含量的数量性状遗传位点
Davey等(2006)利用遗传分离群体将控制苹果果皮和
果肉中Vc含量的主要数量性状位点(quant itat ive trait
loci, QTL)定位于第 6、10和 11连锁群上。Stevens
等(2007)利用 3个遗传群体(1个渐渗系群体、1个回
交群体和1个重组自交系群体)对控制番茄果实Vc含
量的 QTL进行了定位, 分别将主要 QTL位点定位在
第 2、8、9、10和 12号染色体上, 并将定位于9-D bin
上的 QTL位点与单脱氢抗坏血酸还原酶(MDAR)、9-
J bin上的 QTL位点与 GDP-甘露糖 -3 5 -差向酶
(GME)关联起来。
3.2.2 比较基因组学
Crowhu rs t 等(2008)收集了 132 577 条猕猴桃属
(Actinidia)的表达序列标签(expressed sequence tag,
EST), 然后利用生物信息学和比较基因组学方法分析
了猕猴桃中编码 Vc 生物合成酶的基因。除了编码
GalLDH的EST未找到外, 其余在拟南芥中已知的Vc
生物合成酶基因的 EST都可以找到。从相关 EST的
相对丰度推测猕猴桃中可能存在 2条 Vc 合成途径:
GDP-mannose途径和肌醇途径(图 1)。至于在猕猴
桃果实生长和成熟过程中 Vc 合成以何种途径为主,
尚需要更为深入的研究予以揭示。
3.2.3 果实成熟过程中 Vc含量变化及其与 Vc合
成酶基因表达水平变化的关系
Agius等(2003)的研究表明草莓果实 Vc 含量随果实
成熟度增加而提高 , 该过程伴随着 L-半乳糖醛酸还
原酶(GalUR)表达的增强 , 而且在草莓属具有不同Vc
含量的物种中 , GalUR的表达量亦随着 Vc含量的增
加而增加。另外, 在过量表达 GalUR的拟南芥植物
中, Vc 含量增加 2-3倍。该研究不仅提出了植物 Vc
合成的又一个可能途径, 而且也表明草莓等一些水
果果实中的 Vc 合成途径与叶片中的合成途径可能
不同。Pa terak i 等(2004 )发现 , 在西瓜(Cucumi s
melo)果实成熟过程中, 其内外果皮组织中的 Vc 含
量同时增加 , 但GalLDH的表达只在外果皮中有明显
的上升, 而内果皮中 GalLDH的表达上升并不明显。
他们推测西瓜内外果皮中 Vc 的积累可能采取了不
同的途径 , 其中内果皮中Vc的积累可能更类似于草
莓果实成熟过程中 Vc 的积累(Agius et al. , 2003)。
Alhagdow等(2007)发现, 番茄 GalLDH基因发生沉
默, 尽管总的 Vc含量没有变化 , 但还原态的 Vc含量
降低, 线粒体的功能受到影响 , 叶片与果实因为细胞
膨大受抑而变小 , 表明GalLDH不仅参与 Vc的合成,
其自身还能参与细胞生长的调控。在番茄果实由绿
转红的成熟过程中 , 其中心果肉组织中的Vc含量增
加了 10倍, 但其果皮组织中 Vc 含量只增加了 2倍
(Moco et al. , 2007), 造成上述差异的具体机制目前
尚不清楚。
651余春梅等: 拟南芥和作物中维生素C生物合成与代谢研究进展
4 展望
目前, 模式植物中有关 Vc 合成、再生和降解的研究
要比粮食、水果以及蔬菜作物中相应的研究深入 , 但
有关Vc参与调控植物生长发育和环境反应机制的研
究还只是处于起始阶段。拟南芥中已有的研究结果,
虽然可以为作物中的研究提供信息资源和技术支持 ,
但人类最终收获的是作物种子和成熟果实以及蔬菜 ,
这些种子(如小麦和水稻的籽粒 )或果实(如西瓜、苹
果)的结构与拟南芥种子存在较大差异。新鲜果实作
为人类摄取Vc的主要来源之一 , 其Vc的合成途径很
可能与目前揭示的拟南芥叶片中的Vc合成途径不尽
相同。因此我们预测对以下几个方面问题的深入探
讨可能是未来植物 Vc 研究领域中重要的研究内容。
4.1 利用模式植物深入研究Vc参与调控植物生
长发育和环境反应的机制
植物在逆境条件下易遭受氧化胁迫 , 而 Vc可通过自
身或与其它酶的协同作用, 清除植物体内的活性氧
(Smirnoff, 2000, 2001; Noctor, 2006)。Pastori 等
(2003)的研究表明, 与野生型相比, vtc1突变体在发
育、病程相关、蛋白合成与代谢等方面的 171个基
因的表达有差异 , 其中与 ABA 和病程相关的基因表
达增强。Huang等(2005)的研究表明, vtc1突变体对
盐胁迫比野生型更加敏感 , 是由于其自身 Vc的合成
和再生均下降 , 体内活性氧增加而导致。上述发现为
进一步深入研究Vc参与调控植物生长发育和环境反
应的机制提供了重要线索。
4.2 研究和认识作物中Vc生物合成途径
鉴于 Vc的重要生理功能 , 明确作物中Vc合成、再生
和降解的遗传基础, 挖掘自然群体中的优异等位基因
变异将是另一个研究重点, 所获得的知识和资源对于
通过常规和分子育种技术提高作物植株中Vc含量和
改良其生长发育对不良环境的反应具有重要意义。
另外, 有研究表明小麦在开花后 3-4周 Vc的积累会
达到最高峰, 但在干燥的种子中, 还原态的 Vc 含量
比较低(Every et al., 2003)。总体来看, 人们对禾本
科作物籽粒成熟时期Vc含量变化的遗传机理认识得
还不充分, 因此, 开展相关研究可能会为改良禾本科
作物籽粒的营养品质提供新线索。
4.3 研究果实作物中Vc的合成与代谢机制
从已有对番茄、苹果和草莓等果实作物中Vc含量遗
传位点和代谢机理的研究看, 这些作物的果实在成熟
过程中 Vc 含量迅速升高 , 其所涉及的 Vc 合成途径
及平衡调控机制很可能与叶片中的情况不尽相同, 而
且不同种类果实中 V c 合成的主要途径可能也存在
较大差异。深入研究和认识这些途径的遗传调控机
制将为进一步提高果实中Vc含量提供新的方向和资
源。
4.4 Vc在植物体内酶促降解的分子生物学基础
尽管我们在生理生化水平上对Vc在植物体内的酶促
降解过程已有所了解, 但对应的遗传学研究还很不充
分, 该过程中的绝大多数酶尚没有在分子生物学水平
得到验证。开展相关的研究无疑是该领域中具有前
瞻性和开拓性的工作。如前所述, 对于未来试图增加
植物体内Vc含量的研究而言 , 需要系统考虑Vc生物
合成与降解之间的平衡。除了增加合成途径中酶的
表达水平外, 抑制有关降解途径酶的活性, 将有可能
更有效地提高植物体内 Vc 的含量。
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Chunmei Yu1, 2, Bin Li1, Shimin Li1, Jing Chen1, Daowen Wang1*
1Th e S tate Ke y L abo ratory of Pla nt Cel l an d Chro mosome Eng ine eri ng, Institute of Ge neti cs and De vel opme nta l B iol ogy, Ch ine se
Acade my of Scie nce s, Bei jin g 1 0010 1, Chi na
2Schoo l of Li fe Sci ence, Nantong Un ive rsit y, Nan ton g 2 2600 7, Chi na
Abstr act Vitamin C (V c) is a relatively abundant small molecule in both animal and plant cells and plays many important roles in
grow th and development of animals and plants. In this paper , w e review s tudies of Vc biosynthesis and metabolism conducted w ith
the model plant Arabidops is thal iana. Related investigations in crop spec ies, although much less advanced than those repor ted in
Arabidops is, are also summarized. The inf ormation w ill be useful f or f urther studies of Vc biosynthesis and metabolism to improve
stress tolerance and nutritional quality of important crops through molecular breeding.
Ke y w ords Arabi dopsis, bi osynthe sis, crop bre edi ng, metabo lism, vita min C
Yu CM, Li B, Li SM , Chen J , Wa ng DW (2 009). Re cent adva nces in resea rch into vita min C bi osynthesi s an d metabol ism in Arabidop sis
th ali ana an d crop sp eci es. Ch in Bull Bo t 44 , 64 3-65 5.
* Author for correspondence. E-mail: dw w ang@genetics.ac.cn
(责任编辑: 刘慧君)
致 谢 审 者
编辑部特向以下审稿专家表示衷心的感谢 ! (统计时间：2008-11-01-2009-10-31)(按姓氏拼音排序)
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