全 文 ：植物学通报 2005, 22 (4): 408~418
Chinese Bulletin of Botany
①国家自然科学基金项目(30370850)和博士点基金(20020307004)资助。
②通讯作者。Author for correspondence. E-mail: Liuyouliang@njau.edu.con
收稿日期: 2004-04-15 接受日期: 2004-07-26 责任编辑: 孙冬花
高等植物体内的多胺分解代谢及其主要
产物的生理作用①
1,2苏国兴 1刘友良②
1(南京农业大学生命科学学院 南京 210095) 2(苏州大学生命科学学院 苏州 215006)
摘要 本文简要地介绍了多胺的分解代谢途径、与分解代谢有关的酶(多胺氧化酶、二胺氧化酶、
氨丙基转移酶、g-氨基丁酸转氨酶和琥珀酸半醛脱氢酶)及其主要产物(二氨基丙胺、g-氨基丁酸、稀有
多胺和H2O2)在高等植物体内的生理作用。
关键词 g-氨基丁酸, 二氨基丙烷, 多胺分解代谢, 多胺氧化酶, 过氧化氢
Function of Polyamine Catabolism and its Main Catabolic
Products in Higher Plants
1,2SU Guo-Xing 1LIU You-Liang②
1 (College of Life Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095)
2(College of Life Sciences, Suzhou University, Suzhou 215006)
Abstract This paper briefly reviews the catabolic pathway of polyamine degradation in higher
plants; the characteristics of enzymes involved, such as polyamine oxidases, diamine oxidases,
aminopropyl transferase, g-aminobutyric acid transaminase, and succinic semialdehyde
dehydrogenase; and the physiological roles of its main catabolic products such as
diaminopropane, g-aminobutyric acid, uncommon polyamines, and hydrogen peroxide.
Key words g-aminobutyric acid, Diaminopropane, Polyamine catabolism, Polyamine oxidases,
Hydrogen peroxide
自从Richards和Coleman(1952)报告缺K+
的植物体内腐胺含量升高以来 , 有关多胺
(polyamines, PAs)代谢与作物生长发育及作
物 抗 逆 性 的 关 系 受 到 了 广 泛 的 重 视
(Bouchereau et al., 1999; Kakkar and Sawhney,
2002)。早期的研究主要集中在多胺生物合成
酶活性的调节上, 对 PAs分解代谢、PAs经
多胺氧化酶(polyamine oxidases, PAO)及二胺
氧化酶(diamine oxidases, DAO)的转化控制了
解得较少。事实上, PAs分解代谢以及相关产
物对植物生长发育过程如花的诱导、生殖过
程、根的形成以及对外环境的响应很重要
(Martin-Tanguy, 1997)。有关 PAs生物合成
代谢调节以及与胁迫反应的关系已有综述(汪
综述
4092005 苏国兴等: 高等植物体内的多胺分解代谢及其主要产物的生理作用
沛洪, 1990; 赵福庚和刘友良, 2000)。本文就
PAs的分解代谢、与其相关的酶以及主要分
解产物的生理作用作一系统的概述。
1 多胺的分解代谢
植物体内的多胺主要有腐胺(putyescine,
P u t )、亚精胺( s p e r m i d i n e , S p d )和精胺
(spermine, Spm)等。生物体内的 PAs水平除
受生物合成及运输调节外, 还受其氧化降解的
影响。腐胺在二胺氧化酶(DAO, EC 1.4.3.6)
催化下氧化脱氨形成 H2O2、氨和 4-氨基丁
醛。亚精胺和精胺在多胺氧化酶(PAO, EC 1.
5.3.3)催化下分别形成4-氨基丁醛、1, 3-二氨
基丙烷、4-(3-氨丙基)-氨基丁醛和H2O2 , 还
可在二胺氧化酶催化下脱氨形成 4-(3-氨丙
基)-氨基丁醛、3-[(4-[(3-氧代丙基)-氨基]丁
基)-氨基]丙醛、H2O2和氨。4-(3-氨丙基)-
氨基丁醛脱水形成1-(3-氨丙基)-吡咯啉, 再进
一步脱 H + 形成终产物 1 , 5 - 叠氮双环壬烷
(Tiburcio et al., 1997)。4-氨基丁醛脱水形成
1-吡咯啉, 再在吡咯啉脱氢酶催化下形成g-氨
基丁酸(g-amino butyric acid, GABA), 经g-氨
基丁酸转氨酶(EC 2.6.1.19)催化, 利用丙酮酸或
α-酮戊二酸作为氨基受体可逆转换成琥珀酸
半醛, 后者在琥珀酸半醛脱氢酶(EC 1.2.1.16)作
用下氧化形成琥珀酸进入TCA(tricar boxylic
acid cycle)循环(Bhatnagar et al., 2001; 苏国兴
等, 2003)。
二氨基丙烷(2-aminopropane, Dap)是多胺
氧化降解的1个重要产物, 除可直接转化为β-
丙氨酸外, 还可作为氨丙基接受体在如干旱、
高温及高盐等极端条件下合成降精胺
(norspermine, Nspm)、降亚精胺(norspermid-
ine, Nspd)和嗜热性五胺(caldopentamine, Cpa)
等稀有多胺(Kuehn et al., 1990)。这些稀有多
胺最早在极端嗜热菌中发现。嗜热菌利用
Dap, 通过反复增加1个来自脱羧S-腺苷蛋氨
酸的氨丙基合成如Nspd、Nspm和Cpa等(de
Rosa et al., 1978)。直到 1989年后才陆续发
现在高等植物如耐旱紫苜蓿(Medicago sativa)
(Rodriguez-Garay et al., 1989; Bagga et al.,
1997)、耐热陆地棉(Gossypium hirsutum)
(Kuehn et al., 1990)和耐热水稻(Oryza sativa)
(Malabika and Ghosh, 1996)中存在这些稀有多
胺。耐热陆地棉和耐旱紫苜蓿在高热和干旱
等极端条件下, 可以Dap为氨丙基接受体, 在
氨丙基转移酶的作用下合成Nspd, 再接受1个
氨丙基合成 Nspm。氨丙基由脱羧 S-腺苷
蛋氨酸(dcSAM)提供, Dap是PAO氧化Spd
和 S p m 形成的中间产物 ( K u e h n e t a l . ,
1990)。在烟草(Nicotiana tabacum)(Lee
and Park, 1991)中, Dap还可接受L-天冬酰-
β半醛提供的氨丙基合成 Nspd、Nspm和
Cpa等稀有多胺, 催化该途径的酶为Schiff
基还原酶 / 脱羧酶。
哺乳动物细胞可发生 Spd向 Put, Spm向
Spd的转化, 故认为Spm和Spd可经转化为Put
后降解。Spd和 Spm先是丙氨基乙酰化, 然
后氧化形成 3-乙酰氨基丙烷、Put和 Spd, 3-
乙酰氨基丙烷又可被进一步代谢(Tiburcio et
al., 1997)。del Duca等(1995)首先证明植物体
内存在乙酰化 PAs, 因此认为 Spd和 Put之间
的相互转化可能发生在植物体内。最近已证
实植物体内存在从 Spd到 Put的氧化互变途
径。Tassoni等(2000) 用0.5 mmol.L-1 Spd饲
喂拟南芥(Arabidopsis thaliana), 发现幼苗叶
片吸收的 Spd转变成了游离态Put, 并且观察
到N8-酰基Spd的存在, 推测酰基化-Spd可能
是Spd向Put转变的中间产物。Claire等(2002)
用标记 - S p d 脉冲追踪实验发现 , 在植物
Limonium tatarium根中出现了带标记的 Put
和GABA, 推测这是Spd转化为Put再进一步
氧化成GABA的结果。但催化该反应的酶还
没有检测到, 此反应还有待在其他植物系统中
得到验证。
此外, 几个有趣的现象也许和多胺分解代
410 22(4)
谢有关。Bouchereau等(1999)报道, 在盐胁迫
下Put经DAO的分解对脯氨酸的积累有贡献;
DAO的专性抑制剂— —氨基胍可强烈抑制脯
氨酸的积累；而 Spd的生物合成抑制剂不影
响脯氨酸在盐渍时的积累。根据人们已有的
知识很难解释这些现象。这暗示 Put和脯氨
酸之间可能通过前体 -产物的关系经DAO和
GABA代谢相联系。
PAs分解过程及主要产物的代谢走向如
图 1 所示。
2 与多胺分解代谢相关酶的性质
2.1 多胺氧化酶和二胺氧化酶
依对底物的专一性分, 植物体内有2种多
胺氧化酶。对二胺底物如 Put和 Cad有强催
化能力的称二胺氧化酶, 其分子中含有 Cu2+;
而含黄素蛋白(flavoprotein, FAD), 能催化Spd
和 Spm次级氨基氧化的称 PAO(何生根等,
1998)。
PAO是一种含FAD的糖蛋白, 主要分布
图 1 多胺降解过程及其主要产物的变化
dcSAM. 脱羧腺苷蛋氨酸; MTA. 5-甲基硫代腺苷; ---→过程不清
Fig.1 Processes of polyamine degradation and changes in its main catabolic products
dcSAM. Decarboxyllated s-adenosylmethionine; MTA. 5-methylthioadenosine; ---→ Unknown pathway
4112005 苏国兴等: 高等植物体内的多胺分解代谢及其主要产物的生理作用
在禾谷类等单子叶植物中。在玉米 ( Z e a
mays)的木质部、木薄壁细胞、内皮层及表
皮层的初生和次生壁中含量极为丰富, 已通过
生化、组织化学及细胞免疫化学等方法加以
定位(Laurenzi et al., 1999)。已从多种单子叶
植物的细胞壁中纯化PAO并定性。对水稻和
玉米的PAO定性表明, PAO酶蛋白分子结构
存在种间差异。水稻幼苗的 PAO由 2个相同
的亚基组成, 分子量为 61 kD, 但玉米的PAO
为单聚体, 分子量为 65 kD(Cervelli et al.,
2000)。2种PAO的共同特征是酶蛋白分子不
含 Cu2+, 却含 FAD。大麦(Hordeum vulgare)
PAO的最适底物为Spm, 最适pH为4.8; 玉米
PAO的最适底物为Spd和Spm, 最适pH分别
为6.5和5.5。 Tavladoraki等(1998)用蛋白质和
cDNA序列分析综合法测定了PAO完整的氨
基酸序列。得到了 PAO的晶体。Cervelli等
(2000)通过PCR扩增, 从玉米中分离到3种编
码PAO的基因, 发现它们极其保守, 有几乎相
同的核苷酸序列, 由8个外显子和7个内含子
组成, Northern blot和Western blot分析揭示
玉米PAO mRNA和酶蛋白有高度的组织特异
性 。
二胺氧化酶主要分布在豆科等双子叶植
物中。其由2个相同的亚基组成, 每个亚基含
1个Cu2+(豌豆(Pisum sativum)幼苗DAO还存
在多巴醌辅助因子), 2个亚基共用 1个羰基。
蚕豆(Vicia faba) DAO的分子量为126 kD, 最
适底物为 Put和 Cad, 豌豆 DAO的分子量为
144~156 kD。PAO和DAO的活性都可被Hg2+
强烈抑制。
2.2 氨丙基转移酶
生物有机体有多种形式的氨丙基转移
酶。哺乳动物细胞的Spd合成酶(或Put-氨丙
基转移酶(PAPT))和Spm合成酶(或SAPT)就是
一种氨丙基转移酶。它们各自的反应底物是
Put和Spd, 对底物有高度的专一性, 各自的产
物是 Spd和 Spm。大多细菌仅有 PAPT, 对底
物也有高度的亲和性, 产物为Spd, 细菌没有相
应的 SAPT, 所以没有 Spm 的合成(Pegg,
1983)。然而, 许多嗜热和嗜酸菌具单一的氨
丙基转移酶, 该酶具宽的底物专一性, 能以
dcSAM作为氨丙基供体合成各种普通和稀有
多胺(Cacciapuoti et al., 1986)。此外, 细菌还
能利用L-天冬酰-β半醛作为氨丙基供体合成
中间产物羧基亚精胺, 脱羧后形成 Spd, 催化
该反应的酶为 Schiff 基还原酶 /脱羧酶。
基于哺乳动物细胞 PAs生物合成途径模
式, Panicot等(2002)假设在高等植物体内存在
Spd和 Spm合成酶, 它们同样需 dcSAM提供
氨丙基, 是2个单独的酶, 因为进行了2次连续
的氨丙基转移, 被分别转移到了Put分子相反
的两端。至今, 已在多种植物中检测到Spd和
Spm合成酶的活性, 尤其是PAPT(Spd合成酶)
似乎是一种可溶性胞质酶。现已证实植物在
Put向Spd的转变中, 是由2个紧密相连的Spd
合成酶— — SpdS1和SpdS2催化的(Panicot et
al., 2002)。在酵母中找到了 SpdS1和 SpdS2
以及Spm合成酶, 发现SpdS1和SpdS2与Spm
合成酶同源。用同步表达凝血素和 c-Myc表
位标记蛋白实验进一步证实, 拟南芥也存在
SpdS1、SpdS2和Spm合成酶, Spm合成酶与
SpdS2和SpdS1同源, 拟南芥的Spd和Spm合
成酶可以蛋白复合物的形式被一起纯化, 分子
量为 650~750 kD。
植物至少还具有另2种氨丙基转移酶, 一
种是 PAPT, 另一个是 Schiff 基还原酶 /脱羧
酶。PAPT已被证实存在于紫苜蓿细胞中, 其
对Put高度专一, 但不能识别Dap、Spd和Spm
作为替代性底物, 酶活性可被氨丙基转移酶普
通性抑制剂— — 5-甲基硫代腺苷和专性抑制
剂— — 环已基胺硫酸盐所抑制，氨丙基供体
是dcSAM, 其是由S-腺苷蛋氨酸经S-腺苷蛋
氨酸脱羧酶脱羧形成, 主要产物是Spd。这种
PAPT具独特的催化性质, 能以单一起始底物
腐胺合成多种产物, 包括热精胺、高嗜热性
412 22(4)
五胺和高嗜热六胺等(Bagga et al., 1997)。然
而, 植物光具PAPT活性不能解释在极端条件
下 Nspd、Nspm和 Cpa等的积累。耐旱紫苜
蓿(Rodriguez-Garay et al., 1989; Bagga et al.,
1997)、耐热陆地棉(Kuehn et al., 1990)和耐
热水稻(Malabika and Ghosh, 1996)在逆境条件
下可积累 Nspd、Nspm和 Cpa。在烟草(Lee
and Park, 1991)中, 这些稀有多胺可以从Dap
开始在Schiff 基还原酶/脱羧酶催化下以L-天
冬酰 -β半醛为氨丙基供体合成。另外, 基于
嗜热和嗜酸菌催化合成稀有多胺的模式, 在耐
热陆地棉和耐旱紫苜蓿(Kuehn et al., 1990)中
发现了一种氨丙基转移酶(APT), 它能以Dap
为氨丙基接受体, dcSAM为氨丙基供体合成
Nspd、Nspm和Cpa, 该酶的催化性质不同于
紫苜蓿的 PAPT(Bagga et al., 1997)。
迄今为止, 拟南芥Spd和Spm合成酶、紫
苜蓿的 PAPT、耐热陆地棉 APT以及 Schiff
基 还原酶/脱羧酶的生化性质还不清楚, 相关
编码基因的同源性、基因的表达和调控尚缺
乏研究。
2.3 GABA转氨酶和琥珀酸半醛脱氢酶
γ -氨基丁酸转氨酶(γ -aminobutyric
acid transaminase, GABA-T, EC 2.6.1.19)可利
用丙酮酸或α-酮戊二酸作为氨基接受体, 催
化 GABA和琥珀酸半醛之间的可逆转变(图
1)。在粗提液中, 丙酮酸是离体GABA-T的最
适底物( Shelp et al., 1995)。然而, 在烟草叶
片粗提酶液中, 明显存在依赖于丙酮酸或α-
酮戊二酸的酶活性。2种酶的活性显示有较
宽的最适pH 8~10, 烟草线粒体丙酮酸-γ-氨
基丁酸转氨酶纯化 1 000倍后, 对GABA、丙
酮酸的 Km值分别为 1.2和 0.24 m mol.L-1 (
Shelp et al., 1999) 。但编码GABA-T的基因
迄今尚未得到鉴定。
琥珀酸半醛脱氢酶(EC 1.2.1.16)催化
GABA转化的最后一个反应, 其将琥珀酸半醛
不可逆地氧化成琥珀酸。部分纯化的植物琥
珀酸半醛脱氢酶最适pH 9, 呈碱性, 加入NAD
后的活性比加NADP的高20倍(Satyanarayan
and Nair, 1990), 琥珀酸半醛脱氢酶对NAD和
琥珀酸半醛的Km值分别为 166~460和 5~15
mmol.L-1。但植物的琥珀酸半醛脱氢酶还没
有纯化到均质水平, 编码此蛋白的基因也还没
有鉴定出来。
3 主要降解产物的生理作用
3.1 多胺氧化降解产生的过氧化氢的作用
3.1.1 参与细胞壁的木质化和硬化 Federico
和Angelini (1986)发现豌豆在萌发后第一个星
期内出现PAO活性的最高峰。他们在研究豌
豆和小扁豆(Lens culinaris)幼苗中 PAO活性
分布时又进一步发现, 木质化程度最高的茎基
部PAO活性也最高。这表明幼苗木质化过程
可能与PAO活性有关, 并推测PAO所参与的
多胺氧化作用可能涉及H2O2的合成, H2O2可
被胞壁过氧化物酶用于细胞壁的木质化, 使胞
壁坚固。
细胞壁的形成特性取决于壁的松驰和硬
化间的巧妙平衡。认为壁的松驰可被酶或化
学因素介导(Cosgrove, 2000)。最近假设羟自
由基可能代表胞壁松驰因子参与生长素诱导
生长(Schopfer et al., 2002)。在有超氧阴离子
和H2O2存在时, 羟自由基可由POD产生(Chen
and Schopfer, 1999)。POD负责依赖H2O2的
壁的硬化, 增加壁的机械强度, 赋予细胞扩大
生长的不可逆转性。
胞壁H2O2和超氧阴离子相对水平在调节
胞壁扩展和成熟中可能起关键作用。超氧阴
离子在质外体中的合成非常活跃, 其可由壁
POD氧化NAD(P)H产生(Schopfer, 2001), 还
可经质膜 NAD(P)H氧化酶产生(Wojtaszek,
1997); 同样, 胞壁H2O2合成也非常活跃, 它既
可来自超氧阴离子的自发歧化或经胞壁SOD
的催化形成 , 也可来自 P O D 的氧化循环
(Bolwell et al., 1998)和多胺氧化酶对多胺的氧
4132005 苏国兴等: 高等植物体内的多胺分解代谢及其主要产物的生理作用
化降解反应(Laurenzi et al., 2001)。
植物PAO负责含次级氨基PAs的分解代
谢, 氧化Spd和Spm形成相应的氨基醛和二氨
基丙烷, 释放H2O2。最近的研究表明, 玉米中
胚轴表皮细胞 PAO的表达受光的促进, 并由
光敏素介导(Laurenzi et al., 1999), 在伸长区和
成熟区, 在响应去黄化过程中, 玉米中胚轴表
皮细胞中的PAO mRNA、酶蛋白水平以及酶
活性增加了(Cona et al., 2003)。在中胚轴顶
端生长区外部组织中, 光诱导增加 PAO活性
的时间进程是紧密与扩大生长的抑制相联系
的(Laurenzi et al., 1999)。玉米中胚轴切段中
H2O2的产生可被 PAO抑制剂—— guazatine
强烈抑制。
PAO 基因调节研究表明, 激素和光对
PAO表达转录有控制作用(Cona et al., 2003)。
生长素对PAO基因表达的负调节可能是通过
生长素依赖性转录抑制物在启动子区域
AuxREs上发挥作用的。而在玉米中胚轴外
表皮中, 光诱导的 PAO基因表达最大可能是
由依赖光敏素的转录激发子在LREs上的作用
所介导的。光诱导降低了来自胚芽鞘的扩散
性生长素的含量, 从而减缓了生长素依赖性转
汞抑制物对 PAO基因表达的负调节作用。
3.1.2 参与植物的防御反应 在病原菌攻击
植物中, 超敏反应早期的响应之一是产生如超
氧阴离子、H2O2和羟氧自由基等活性氧中间
产物。它们或经氧化交联加强胞壁, 或直接
攻击病原菌, 或起信号分子作用诱导如加快超
敏细胞死亡等防御反应, 从而阻止病原菌从入
侵处向外扩散(Alvarez et al., 1998)。
PAO 催化多胺类物质的氧化所产生的
H2O2和氨基醛对病原微生物有抵御作用。烟
草在受烟草镶嵌病毒(TMV)感染后的超敏反应
期, 鸟氨酸脱羧酶和精氨酸脱羧酶活性都增加
了, 导致游离和结合态多胺在腐败区域的增
加。Yamakawa等(1998)发现在超敏反应期,
胞间积累 Spm可诱导病原相关蛋白的合成。
最近, Yoda等(2003)在烟草抗镶嵌病毒感
染的超敏反应期筛选出了1个快速响应基因,
是1个编码鸟氨酸脱羧酶的基因, 导致感染叶
片质外体 PAs的积累。用 PAs生物合成抑制
剂——二氟甲基鸟氨酸处理, 发现在抑制PAs
积累的同时也降低了超敏反应率, 当 PAs渗
入到健康叶片诱导 H2O2产生的同时也引起
了疑似超敏细胞的死亡。在超敏反应期的
质外体中 PAO活性增加了 3倍。用专性抑
制剂 guazatine处理可降低超敏反应。因此
证实多胺氧化降解产生的 H2O2参与了植物
的防御反应。
3.2 二氨基丙烷的生理作用
植物在响应非生物损伤和矿质营养缺乏
时会刺激PAs的氧化, 导致Dap含量的增加或
产生稀有长链多胺(Bouchereau et al., 1999)。
在极端环境下，D a p 参与了稀有多胺如
Nspd、Nspm和 Cpa的合成。稀有多胺被认
为是植物适应极端环境时的一种特殊保护性
物质。已证明,长链稀有多胺对嗜热菌在体外
温度逐渐增高时蛋白质的合成是必需的, 它参
与蛋白质合成过程中核糖体三聚体的活化, 同
时还影响肽链的延伸速度(Kuehn e t a l . ,
1990)。在细菌系统中, 长链稀有多胺可保护
酶不发生热变性, 促进细胞骨架组分的聚合。
Kuehn等(1990)用耐渗透胁迫和对渗透胁迫敏
感的紫苜蓿实验证实, 大量稀有PAs只在耐渗
透胁迫的品种中产生。Aziz等(1997)在用油菜
(Brassica campestris)叶片切段进行渗透胁迫
实验时, 发现诱导合成了一种新的长链多胺, 其
含量变化与渗透胁迫诱导的细胞渗透势变化
强度相关。可见长链稀有多胺具有热胁迫保
护剂和抗渗透胁迫的保护作用。
Dap还具有延缓衰老的作用。在延缓衰
老中发现 Dap尤其活跃。Kaur-Sawhney 和
Galston(1991)证实Dap可抑制蛋白酶活性的
升高和与衰老有关的叶绿素的损失。在延缓
Cytf从类囊体膜上的丢失以及减少叶组织叶
414 22(4)
绿素的损失中也起作用(Tiburcio et al., 1993)。
Dap可结合到多聚核糖体上, 从而影响蛋白质
的合成, 这解释了Dap为什么会抑制蛋白酶活
性的上升。Dap是乙烯体外生物合成的抑制
剂, 因此Dap抑制衰老也许和ACC合成的抑
制及ACC向乙烯转化的抑制有关(Tiburcio et
al., 1993)。外源Dap处理在黑暗培养中的燕
麦(Avena sativa)叶片可降低叶片内MDA水
平。暗示 Dap能降低膜脂过氧化作用, 还起
活性氧清除剂的作用(Borrell et al., 1997)。
3.3 GABA的生理作用
GABA在调节胞质 pH、植物生长发育、
信号转导和渗透调节等生理过程中有重要作
用( Shelp et al., 1999)。GABA是一种良好的
渗透调节物质, 以非结合态形式存在, 极易溶
于水, 可形成类似于脯氨酸的环状结构, 对细
胞没有毒害作用(Christensen, 1994)。GABA
还是1个两性离子, 在生理pH(4.03~10.56)下,
既可带正电又可带负电荷, 有类似于脯氨酸的
变化。GABA对胁迫反应灵敏, Cholewa等
(1997)用冷刺激天门冬属植物离体叶肉细胞, 发
现胞质Ca2+荧光指示水平在冷击 2秒钟内就
显著增加, 1 分钟内可检测到GABA的积累。
虽然正常植物组织的GABA含量较低 , 仅
0.03~2.00 mmol.g-1 FW, 但在响应不同刺激后
可成倍增加。如在干旱胁迫下, 根伤流液中
的GABA浓度可达0.1 mmol.L-1, 增加230%
(Serraj et al., 1998)。GABA是在细胞质内合
成, 运输脯氨酸及甘氨酸甜菜碱等与渗透胁迫
相关物质的运输蛋白体如AtProT1、AtProT2
和 L e P r o T 1 也能运输 GABA(Schwacke ,
1999)。Fischer (1998)证实ProT2的表达受盐
分和干旱胁迫强烈诱导。
GABA起临时氮库的作用。多胺可作为
菊芋(Helianthus tuberosus)外植体培养过程中
的氮源。在多胺氧化酶和吡咯啉脱氢酶等酶
催化下, 植物可利用多胺进行碳和氮的再循
环。在厌氧、呼吸下降及 NAD/NADH比例
下降等特定条件下, 依赖NAD和琥珀酸半醛
脱氢酶反应形成琥珀酸碳架进入TCA环就会
受到限制, 导致GABA积累, 这些GABA可为
胁迫恢复快速提供底物(Wallace et al., 1984)。
多胺降解形成GABA, 尤其是Glu经谷氨
酸脱羧酶(GAD)催化形成GABA对胞质pH有
调节作用。用荧光 pH探针和 GABA的酶学
分析检测暴露于弱酸中的天门冬属植物光合
细胞内的胞质pH的变化和GABA积累时见到,
在1秒钟内胞质pH下降0.6, 而GABA水平在
15秒内增加200% ~ 300%。在弱酸处理45秒
后, GABA合成消耗的 H+ 约占酸量的 50%。
Carrol等(1994)用31P和15N核磁共振谱波技术
检测胡萝卜(Daucus carota)组培细胞活体胞质
pH和GABA在有氧时发现, 氨同化反应的启
动可使胞质 pH 下降 0.2 单位, 以后才积累
GABA。
GABA 在信号转导和防御反应中起作
用。在厌氧、低温、低 p H、机械刺激、
高温和病原微生物感染 等环境胁迫下植物会
积累GABA。GABA是植物感受外界刺激进
行信号传递的一个重要环节。已证实, 胁迫
启动的信号转导是通过包括G蛋白、磷脂酶
C、IP3或 1, 2-二酰甘油、胞质 Ca2+、依赖
于Ca/CaM的GAD活性和GABA的合成进行
的(Reggiani and Laoreli, 2000; Janzen et al.,
2001)。
G A B A 还可调节植物的生长发育。
GABA能抑制繁缕属 Stellaria植物茎生长。
响应机械刺激的生长抑制可被Ca2+螯合剂和
CaM拮抗剂阻断。15N核磁共振谱波技术证
明, 在α-萘乙酸和激动素诱导根组织脱分化
过程中, 伴随着GABA的增加和Glu水平的下
降(Ford et al., 1996)。用 GABA处理离体向
日葵(Helianthus annuus)子叶, 之所以能刺激
乙烯的产生, 主要是促进了 ACC合成酶转
录。用GABA处理大豆(Glvcine max)叶片, 腐
胺、亚精胺和精胺的水平可分别提高 12、
4152005 苏国兴等: 高等植物体内的多胺分解代谢及其主要产物的生理作用
1.4和 2倍(Turano et al., 1997)。暗示GABA
可能通过调节乙烯和多胺的含量调节着植物
的生长和发育。
4 结语
植物PAs似乎和多种生理过程有关, 包括
DNA复制、基因转录、细胞分裂、器官发
育、果实成熟、叶片衰老和环境胁迫等。但
作用机理还不清楚。究其原因, 可能是: 1)
PAs在体内的状态以及 PAs和 PAs生物合成
酶的亚细胞定位研究较少, 从而限制了人们对
PAs功能的认识; 2)PAs合成酶基因的表达和
调节机制有差异, 精氨酸途径与鸟氨酸途径在
功能上存在差异, 影响了人们对PAs功能的理
解; 3)PAs分解代谢及其相关产物具有重要的
生理作用, 使 PAs生理作用更为复杂。已证
实, 参与多胺降解的酶——PAO和DAO与植
物细胞壁的木质化、植物超敏反应及调节细
胞自由多胺库水平等生理过程有关; PAs分解
产物Dap参与了稀有多胺的合成, 稀有多胺被
认为是植物适应极端环境时的一种特殊保护
参 考 文 献
性物质, Dap本身又具延缓衰老的作用; 降解
产物 GABA又与胞质 pH的调节、渗透胁迫
的调节、逆境信号的转导和细胞防御反应等
过程有关。
迄今为止, 有关 PAs的氧化降解、PAO
和DAO的生化性质及组织定位、GABA在植
物体内的合成和转化以及含量水平的调节、
GABA对外环境的胁迫响应已有大量的研
究。但在下列方面尚缺乏深入系统的工作。
1)PAO基因的表达和调节及酶蛋白翻译后的
活性调节。PAO基因除受光和生长素水平调
节外, 是否还受细胞发育状态和其他环境因子
如盐渍、高热、缺氧和旱涝等的调节尚缺乏
研究。2)盐胁迫对GABA代谢影响, 在盐胁迫
下GABA与脯氨酸和多胺的代谢关系, GABA
的渗透调节能力, 盐胁迫下积累GABA可能的
生理意义尚缺乏研究。3)高等植物在极端条
件下积累稀有多胺的种类和可能的生理意义
以及Dap 清除活性氧能力和其与植物抗病抗
逆性的关系也有待深入研究。
何生根, 黄学林, 傅家瑞 (1998) 植物的多胺氧化酶.
植物生理学通讯, 3: 213-218
苏国兴, 董必慧, 刘友良, 王春春 (2003) γ -氨基丁酸
在高等植物体内的代谢和功能. 植物生理学通讯, 6:
670-676
汪沛洪 (1990) 植物多胺代谢的酶类与胁迫反应. 植
物生理学通讯, 1: 1-7
赵福庚, 刘友良 (2000) 高等植物体内特殊形态多胺
代谢及调节. 植物生理学通讯, 36: 1-6
Alvarez ME, Pennell RI, Meijer PJ, Ishikawa A, Dixon
RA, Lamb C (1998) Reactive oxygen intermedi-
ates mediate a systemic signal network in the es-
tablishment of plant immunity. Cell, 92: 773-784
Aziz A, Martin-Tanguy J, Larher F (1997) Plasticity
of polyamine metabolism associated with high os-
motic stress in rape leaf discs and with ethylene
treatment. Plant Growth Regulation, 21: 153-163
Bagga S, Rochford J, Klaene Z, Kuehn GD, Phillips
GC (1997) Putrescine aminopropyl transferase is
r e spons ib l e fo r b iosyn thes i s o f spe rmid ine ,
spermine, and multiple uncommon polyamines in
osmotic stress— tolerant Alfalfa. Plant Physiology,
114: 445-454
Bha tnaga r P , G la sheen BM, Ba ins SK (2001)
Transgenic manipulation of the metabolism of
polyamine in poplar cells. Plant Physiology, 125:
2139-2153
Bolwell GP, Davies DR, Gerrish C, Auh CK, Murphy
416 22(4)
TM (1998) Comparative biochemistry of the oxi-
dative burst produced by rose and French bean cells
reveals two distinct mechanizm. Plant Physiology,
116: 1379-1385
Borrell A, Carbonell L, Farras R (1997) Polyamine
inhibit lipid peroxidation in senescing oat leaves.
Physiologia Plantarum, 99: 385-390
Bouchereau A, Aziz A, Larher F, Martin-Tanguy J
(1999) Polyamines and environmental challenges:
recent development. Plant Science, 140: 103-125
Cacc iapuo t i G , Porce l l i M, Car t en i - f a r ina M,
Gambacorta A, Zappia V (1986) Purification and
characterization of propylamine transferase from
Solfolbus solfataricus. an extreme Thermophilic
a r c h a e b a c t e r i u m . E u r o p e a n J o u r n a l o f
Biochemistry, 161: 263-271
Carrol AD, Fox GG, Laurie S (1994) Ammonium as-
similation and the role of γ - aminobutyric acid in
pH homeostasis in carrot cell suspensions. Plant
Physiology, 106: 513-520
Cervelli M, Tavladoraki P, di Agostino S, Angelini R
(2000) Isolat ion and characterizat ion of three
polyamine oxidase genes from Zea mays. Plant
Physiology, 38: 667-677
Chen S, Schopfer P (1999) Hydroxyl-radical produc-
tion in physiological reactions, a noval function of
peroxidase. European Journal of Biochemistry,
260: 726-735
Cholewa E, Cholewinski AJ, Shelp BJ (1997) Cold
shock-stimulated γ - aminobutyric acid synthesis
is mediated by an increase in cytosolic Ca2+, not by
an increase in cytosolic H+. Canadian Journal of
Botany, 75: 375-382
Christensen HN (1994) Special transport and neuro-
logical significance of two amino acids in a con-
figuration conventionally designated as D. Journal
of Experimental Botany, 196: 297-305
Claire D, Guillaume G, David G, Francois L (2002)
The conversion of spermidine to putrescine and 1,
3 -d iaminopropane in the roo t s o f Limon ium
tataricum. Plant Science, 163: 639-647
Cona A, Cenci F, Cervelli M, Federico R, Mariottini P
(2003) Polyamine oxidase, a hydrogen peroxide-
producing enzyme, is up-regulated by light and
down-regulated by auxin in the outer tissues of the
maize mesocotyl. Plant Physiology, 131: 803-813
Cosgrove DJ (2000) Expansive growth of plant cell
wall. Plant Physiology and Biochemistry, 38: 109-
1 2 4
del Duca S, Beninati S, Serafini-Fracassini D (1995)
Polyamines in chloroplasts: identification of their
glutamyl and acetyl der ivat ives . Biochemical
Journal , 305: 233-237
de Rosa M, de Rosa S, Gambacorta A, Carteni-Farina
M (1978) The b iosynthet ic pa thways of new
polyamines in Caldariella acidophila. Biochemi-
cal Journal, 176: 1-7
Federico R, Angelini R (1986) Occurrence of diamine
oxidase in the apoplast of pea epicotyls. Planta ,
167: 300-302
Fischer WN (1998) Amino acid transport in plants.
Trends in Plant Science, 3: 188-195
Ford YY, Ratcliffe RG, Robins RJ (1996) Phytohor-
mone-induced GABA production in transformed
root cultures of Datura stramonium: an in vivo
15N-NMR study. Journal of Experimental Botany,
47: 811-818
Janzen DJ, Allen LJ, Mac Gregor KB (2001) Cytoso-
lic acidification and γ - aminobutyric acid synthe-
sis during the oxidative burst in isolated Asparagus
sprengeri mesophyll cells. Canadian Journal of
Botany , 79: 438-443
Kakkar RK, Sawhney VK (2002) Polyamine research
in plants— a changing perspective. Physiologia
Plantarum, 116: 281-292
Kaur-Sawhney R, Galston AW (1991) Physiological
4172005 苏国兴等: 高等植物体内的多胺分解代谢及其主要产物的生理作用
and biochemical studies on the antisenescence
properties of polyamines in plants. In: Slocum
RD, Flores HE eds. Biochemistry and Physiology
of Polyamines in Plants. CRC Press, Boca Raton
FL, pp.201-211
Kuehn GD, Rodriguez-Garay B, Bagga S (1990) Novel
occurrence of uncommon polyamines in higher
plants. Plant Physiology, 94: 855-857
Laurenzi M, Rea G, Federico R, Tavladoraki P,
Angelini R (1999) Deetiolation causes a phyto-
chrome-mediated increase of polyamine oxidase
expression in outer tissues of the maize mesocotyl:
a role in the photomodulation of growth and cell
wall differentiation. Planta, 208: 146-154
Laurenzi M, Tipping AJ, Marcus SE, Knox JP (2001)
Analysis of the distribution of copper amine oxi-
dase in cell walls of legume seedlings. Planta, 214:
37-45
Lee SH, Park KY (1991) Compensatory aspects of
the biosynthesis of spermidine in tobacco cells in
suspension culture. Plant & Cell Physiology, 32:
523-531
Malabika R, Ghosh B (1996) Polyamine, both com-
mon and uncommon under heat stress in rice callus.
Physiologia Plantarum, 98: 196-200.
Martin-Tanguy J (1997) Conjugated polyamine and
reproductive development: biochemical, molecu-
lar and physiological approaches. Physiologia
Plantarum, 100: 675-688
Panicot M, Minguet EG, Ferrando A, Alcazar R (2002)
A polyamine metabolon involving aminopropyl
transferase complexes in Arabidopsis. The Plant
Cell, 14: 2539-2551
Pegg AE (1983) Assay of aminopropyltransferase.
Methods In Enzymology, 94: 260-265
Reggiani R, Laoreli P (2000) Evidence for involve-
ment of phospholipase C in the anaerobic signal
transduction. Plant & Cell Physiology, 41: 1392-
1396
Richards FJ, Coleman EG (1952) Occurrence of pu-
trescine in potassium-deficient barley. Nature ,
170: 460-461
Rodriguez-Garay B, Phillips GC, Kuehn GD (1989)
Detection of norspermidine and norspermine in
Medicago sativa L. Plant Physiology , 89: 525-
5 2 9
Satyanarayan V, Nair PM (1990) Metabolism, en-
zymology and possible roles of 4-aminobutyrate
in higher plants. Phytochemistry, 29: 367-375
Schopfer P (2001) Hydroxyl radical — induced cell
wall loosening in vitro and in vivo: implications
for the control of elongation growth. The Plant
Journal, 28: 679-688
Schopfer P, Liszkay A, Bechtold M, Frahry G, Wagner
A (2002) Evidence that hydroxyl radicals mediate
auxin-induced extension growth. Planta, 214: 821-
8 2 8
Schwacke R (1999) Le ProT1, a transporter for
proline, glycine betaine, and γ - aminobutyric acid
in tomato pollen. The Plant Cell, 11: 377-391
Serraj R, Shelp BJ, Sinclair TR (1998) Accumulation
of γ - aminobutyric acid in nodulated soybean in
response to drought stress. Physiologia Plantarum,
102: 79-86
Shelp BJ, Bown AW, McLean MD (1999) Metabo-
lism and functions of gamma-aminobutyric acid.
Trends in Plant Science, 4: 446-452
Shelp BJ, Watlon CS, Snedden WA (1995) GABA
shunt in developing soybean seeds is associated
with hypoxia. Physiologia Plantarum, 94:219-
2 2 8
Tassoni A, Buuren MV, Franceschetti M, Fornalè S
(2000) Polyamine content and metabolism in
Arobidopsis thaliana and effect of spermidine on
p l a n t d e v e l o p m e n t . P l a n t P h y s i o l o g y a n d
Biochemistry, 38: 383-393
418 22(4)
Tavladoraki P, Schinina ME, Cecconi F, di Agostino
S, Manera F, Rea G (1998) Maize polyamine
oxidase: primary structure from protein and cDNA
sequencing. Federation of European Biochemical
Societies Letter, 426: 62-66
T i b u r c i o A F , A l t a b e l l a T , B o r r e l l A ( 1 9 9 7 )
P o l y a m i n e m e t a b o l i s m a n d i t s r e g u l a t i o n .
Physiologia Plantarum, 100: 664-674
Tiburcio AF, Campos JL, Figueras X, Besford RT
(1993) Recent advances in the understanding of
polyamine functions during plant development.
Plant Growth Regulation, 12: 331-340
Turano FJ, Kramer GF, Wang CY (1997) The effect
of methionine, ethylene and polyamine catabolic
intermediates on polyamine accumulation in de-
tached soybean leaves. Physiologia Plantarum,
101: 510-518
Wallace W, Secor J, Schrader LE (1984) Rapid accu-
mulation of γ - aminobutyric acid and alanine in
soybean leaves in response to an abrupt transfer
to lower temperature, darkness, or mechanical
manipulation. Plant Physiology, 75: 170-175
Wojtaszek P (1997) Oxidative burst: an early plant
response to pathogen infect ion. Biochemical
Journal, 322: 681-692
Yamakawa H, Kamada H, Satoh M, Ohashi Y (1998)
Spermine is a salicylate-independent endogenous
inducer for both tabacco acidic pathogenesis —
related proteins and resistance against tobacco
mosaic virus infection. Plant Physiology , 118:
1213-1222
Yoda H, Yamaguchi Y, Sano H (2003) Induction
of hypersensit ive cell death by hydrogen per-
oxide produced through polyamine degradation
i n t o b a c c o p l a n t s . P l a n t P h y s i o l o g y , 1 3 2 :
1 9 7 3 - 1 9 8 1