全 文 ： 综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2006年增刊
植物苯丙氨酸解氨酶基因的研究进展
董艳珍
(西昌学院,西昌 615013 )
摘 要: 苯丙氨酸解氨酶 ( pheny la lanine amm on ialyase, PAL)是连接植物初级代谢和苯丙烷类代谢、催化苯
丙烷类代谢第一步反应的酶。综述植物 PAL基因的研究进展,主要包括 PAL基因的结构特点、表达特点和 PAL基
因表达的调控机制, 并指出今后对 PAL基因的研究方向。
关键词: 植物 苯丙氨酸解氨酶基因 结构 表达
Research Advances on P lant Phenylalanine AmmoniaLyase Gene
Dong Yanzhen
(X ichang C ollege, sichuan 615013)
Abstrac:t Pheny la lan ine amm onialyase ( PAL ) is the key enzym e that ca talyzes the first reaction in pheny lpro
pano id pa thway and links pr im ary m etabo lism to pheny lpropano id m etabo lism. Th is paper reviews the resea rch advances on
p lant PAL gene such as structure and expression character o f plant PAL gene and the regu lation m echan ic o f its expression.
Th is pape r a lso po in ted out the research trend o f p lant PAL gene in the future.
Key words: P lant Pheny lalan ine ammon ialyase gene Struc ture Expression
作者简介:黄艳珍 ( 1977) ,女,四川眉山人,教学和研究,主要从事生物教学和研究工作
苯丙氨酸解氨酶 ( pheny lalan ine ammonialyase,
PAL, E. C. 4. 3. 1. 5)是一种只存在于植物及微生物
细胞内的酶,它是连接生物初级代谢和苯丙烷类代
谢、催化苯丙烷类代谢第一步反应的酶,是苯丙烷类
代谢的关键酶和限速酶。苯丙烷类代谢途径是生物
特别是植物代谢中一条很重要的途径, 一切含苯丙
烷骨架的物质都是由这一途径直接或间接生成。苯
丙烷类代谢可生成类黄酮、木质素等多种次生代谢
产物,这些次生产物在植物的生长发育、抗病、抗逆
反应中起着重要的作用。苯丙烷代谢途径产生的多
种次生代谢物是植物中重要的活性成分, 在医药、保
健和食品工业等领域的研究具有诱人的应用前景。
1 植物 PAL基因的结构
1961年 Kouko l和 Conn首次从植物中发现了
PAL这种酶, 并进行了分离纯化 [ 1] , 此后关于这种
酶的研究迅速展开。对 PAL基因的研究是在上世纪
80年代后期开始,到目前为止, 已对拟南芥、欧芹、番
茄、烟草、菜豆、豌豆、水稻、松树、大豆、苜蓿、马铃薯
和杨树等多种植物 PAL基因进行了 cDNA克隆和序
列分析及 Southern b lo t。植物PAL基因结构的普遍特
点是由小的多基因家族组成, 在 1组染色体中,一般
含有 2~ 6个 PAL基因,并且可以分为 2~ 3个不同的
类群或亚族, 如菜豆有三个基因 [ 2]、欧芹有 4个基
因 [ 3]、烟草有四个基因,其中 PAL 1和 PAL 2属于一个
亚族, PAL 3和 PAL4属于另一个亚族 [ 4]、番茄有五个
基因 [ 5]。但是在马铃薯和松树却是例外, 在马铃薯
中, PAL基因数目众多,估计有 40~ 50个之多,其中
至少有 10个或更多的基因具有潜在的活性 [ 6] ,而松
树中,只报道了一个 PAL基因存在 [ 7]。植物 PAL基
因一般由两个外显子和一个内含子组成。
PAL基因的编码区长度变化不大, 一般在 2
100bp左右,菜豆 PAL2编码区长 2 136bp, PAL3编
码区长 2 130bp[ 2] , 水稻 PAL编码区长 2 103bp[ 8] ,
樱桃 PAL编码区长 2 151bp[ 9] ,苜蓿 PAL 1编码区 2
175bp
[ 10]
,作者在 2004年克隆了甘蓝型油菜的 2个
PAL基因, 编码区长度分别为 2 175bp和 2 172bp
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2006年增刊
(未发表 )。在多数植物中, PAL基因的惟一的内含
子位置是保守的,但其长度变化很大。
同一植物的不同 PAL基因在总体结构上是相
同的, 但是两个基因的核苷酸序列和通过编码区而
推导的氨基酸序列是存在相当大的变异的, 变异的
程度在不同区段是不同的。菜豆的 PAL2和 PAL 3
的外显子 1表现出 59%的序列同源性,外显子 2有
74%的同源性, 而在内含子以及基因的 5端和 3端
序列表现出较大的变异 [ 2]。
2 植物 PAL表达的特点
PAL基因的表达及 PAL的活性受多种因素的
影响,而针对不同的影响因素, PAL的表达模式是不
尽相同的。有研究表明在不同处理 (光照、伤害、病
原感染 )下, PAL多肽链的合成是特异的, 这说明
PAL基因的选择性表达是受到复杂的调控的, 这些
调控因子包括与发育有关的因子以及影响苯丙烷代
谢途径的环境因子 [ 11]。
2. 1 PAL表达具有组织特异性
PAL在植物组织中的表达具有组织特异性,也受
发育的调控,同一 PAL基因家族中不同 PAL基因的表
达模式也是不相同的。在大多数植物中, PAL在根部
和成熟的花中表达量最高,在茎中的表达水平中等,而
成熟的叶片中几乎不表达。菜豆 PAL的 3个基因
PAL 1、PAL2和 PAL 3都能在根部大量表达;芽中 PAL1
和 PAL2均有表达;叶中仅 PAL1有表达;花瓣中 PAL2
大量表达, PAL1表达量很少, PAL 3不表达 [ 2, 11]。草
莓 [ 12]、苹果、梨 [ 13]的果实在发育过程中, PAL活性有两
个高峰,一个为幼果期,一个为果实成熟期。
2. 2 PAL表达受产物的反馈调节
PAL表达受苯丙烷类代谢途径产物的反馈调
节。将外源反式肉桂酸加到经病原菌诱导物处理过
的菜豆悬浮细胞系中, 导致 PAL迅速失活, 编码
PAL及其它植物保卫素合成酶的 mRNAs合成受到
抑制, 影响了酶基因的转录 [ 14]和 mRNA s在离体状
态下翻译 [ 15]。
2. 3 PAL表达受乙烯、病原物及病菌诱导物病、菌
毒素、抗生素以及其它物质等的调节
一般来说,施用生长素、激动素、PP333、外源乙
烯后, PAL活性增加; 而施用 NAA、GA 3后, PAL活
性降低。ABA作为 GA的拮抗物,能使离体豌豆茎
轴中的 PAL活性升高,并且使 PAL活性高峰期提早
出现。乙烯可以诱导植物 PAL基因的表达。研究
表明,植物在生长发育过程中以及受病原物及其诱
导物和伤害等刺激时, PAL常伴随植物体内乙烯生
物合成的增加而积累。在西瓜果实发育过程中,
PAL基因是随着乙烯生物合成基因的表达而表
达 [ 16]。外源的乙烯也能引起马铃薯块茎中编码
PAL的 mRNA水平提高 [ 17]。植物 PAL基因的表达
受植物病原物及病菌诱导物的诱导调控。芹中 PAL
mRNA的产生与 P. megasperma f. sp glycinea侵染有
关,被 P. megasperma var. sojae小种 l侵染的欧芹叶
中,编码 PAL的 mRNA被诱导产生并在侵染位点附
近长时间内保持较高水平 [ 18]。用病原菌毒素处理
能刺激 PAL活性升高,而且毒素处理的作用强度大
于病原菌接种的作用强度。
2. 4 机械伤害对 PAL表达的影响
切割和伤害都能刺激 PAL的表达,引起 PAL活
性的升高。欧芹叶片和根部受到伤害都会引起 PAL
mRNA有相当水平的提高 [ 3]。在受伤害的菜豆下胚
轴组织中出现 PAL转录产物大量积累 [ 11]。
3 植物 PAL基因表达调控的机制
PAL基因的表达受到包括生长发育、病菌感染、
环境刺激等多种种因素的影响,且不同因素影响下,
PAL的表达模式又各不相同,这说明 PAL的表达是
受到复杂的机制调控的,研究 PAL启动子的结构有
助于理解 PAL的表达调控机制。欧芹 PAL1的启动
子区域有两个核甘酸序列, 与紫外辐射和诱导反应
有关,这些序列在不同种类的好几个与诱导及光反
应有关的基因中位置是保守的 [ 3]。在小麦的 PAL 1
启动子区也含有与在其它基因启动子中鉴定的调控
元件高度相似的区域, 这些元件包括其它的苯丙烷
代谢途径基因的抗紫外线和在真菌诱导中起作用的
序列以及在植物的防御基因转录活化中起作用的序
列 [ 19]。菜豆 PAL 2与木质素前体合成有关, 其启动
子区域起始密码子上游289到 74的顺式作用元件
对木质部的表达是必需的, 但与在叶原基和茎的表
达或在花瓣建立组织特异性无关; 在135到 119区
域有一个负调控元件, 它能抑制一个位于 480到
289区域的与韧皮部表达相关的隐藏的顺式作用元
件的活性 [ 20 ]。对蕃茄 PAL 5上游调控区域进行了分
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2006年增刊 董艳珍: 植物苯丙氨酸解氨酶基因的研究进展
析发现 PAL 5使用两个不同的转录起始位点以产生
一个长的和一个短的转录产物, 每一个转录产物对
应有不同的 TATA序列元件和多个保守的上游调控
基序。当蕃茄受到三种刺激 (伤害、光照、真菌感
染 )时, PAL 5以一种组织特异性和对刺激的反应而
使用不同的转录起始位点 [ 21 ]。
将菜豆 PAL 基因 (PAL1、PAL 2)的启动子与
GUS报告基因融合转移到马铃薯、烟草和拟南芥中,
的研究表明 PAL的表达受环境刺激因子的诱导调
控,也受转基因植物发育阶段调控而表现出不同的
时空表达模式 [ 22]。表达的组织化学分析表明, 菜豆
PAL基因启动子在转基因马铃薯和烟草的特定细
胞 因受机械损伤而积累苯丙烷类衍生物的细胞
中得到表达,也可在发育中的木质部 (射线细胞 )和
花器中表达 [ 23]。
4 PAL研究的展望
PAL催化苯丙烷类代谢第一步反应的酶,是苯
丙烷类代谢的关键酶和限速酶, 其表达受到复杂调
控,研究 PAL的性质及 PAL基因的表达特别是其表
达的调控对于今后更好地利用 PAL对植物进行改
造或是利用基因工程来生产在医学上具有重要价值
的生物活性物质是有重大意义的。对 PAL基因启
动子及相关的转录因子进行分析可以进一步阐明
PAL基因的表达调控机理。因此对 PAL基因启动
子进行剖析,找出有关的顺式作用元件将是今后研
究的焦点之一。苯丙烷代谢途径的不同去向对次生
代谢产物积累及生理作用产生巨大的影响。苯丙烷
代谢途径的不同去向受植物发育的时空调节,其调
控过程主要是通过转录因子对生物合成基因的活化
来实现的。因此,转录因子充当了 分子开关 的作
用。当它们得到特定发育阶段所发出的信号后,将
活化苯丙烷代谢途径的特定生物合成途径。然而,
对这些发育信号及其传导目前还很不清楚。开展
PAL特异基因的结构特点、克隆、测序、表达部位和
时空表达模式的研究, 以便有目的地控制其在植物
的表达,从而增强植物对病害的广谱持久抗性、提高
特定次生代谢产物 (如银杏叶黄酮 )的含量或是降
低某些次生物质 (如油菜籽中多酚类、木质素等 )的
积累, 这将是今后 PAL研究的重点 。
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