全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2014, 49 (5): 626–639, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2014.00626
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收稿日期: 2013-09-29; 接受日期: 2014-01-28
基金项目: 国家自然科学基金(No.31071082, No.31171161, No.31170275)、教育部创新团队项目(No.IRT1020)、教育部新世纪优秀人才支
持计划(No.NCET-11-0234)、江苏省自然科学基金(No.BK2010053, No.BK2011414)和南京大学淮安高新技术研究院独立研究项目(No.
2011Z2)
† 共同第一作者。
* 通讯作者。E-mail: YangYH@nju.edu.cn; QiJL@nju.edu.cn; robertyang@nju.edu.cn
乙烯对植物次生代谢产物合成的双重调控效应
方荣俊1, 2†, 赵华1, 3†, 廖永辉1, 汤程贻1, 吴凤瑶1, 朱煜1, 庞延军1
陆桂华1, 王小明1, 杨荣武1*, 戚金亮1, 4*, 杨永华1*
1南京大学生命科学学院, 植物分子生物学研究所, 医药生物技术国家重点实验室, 南京 210093; 2江苏科技大学, 镇江 212003
3南通大学, 南通 226019; 4南京大学淮安高新技术研究院, 淮安 223005
摘要 植物次生代谢产物是人类重要的药物及化工原料来源, 其产生与植物正常的生长发育及对环境的适应密切相关, 并
受到多种因素的调控。乙烯作为一种植物内源激素, 广泛参与植物的生长、发育、抗逆和次生代谢产物合成等重要生理过
程的调控。该文综述了乙烯的信号转导机制及其调控作用; 重点归纳了乙烯对植物次生代谢产物形成所表现出的双重调控
效应, 即在一定浓度范围内, 乙烯对植物次生代谢产物的合成起促进作用, 低于或超过该浓度范围则起抑制作用; 并对今
后该领域的研究方向进行了展望。
关键词 乙烯, 次生代谢产物, 信号转导途径, 双重调控
方荣俊, 赵华, 廖永辉, 汤程贻, 吴凤瑶, 朱煜, 庞延军, 陆桂华, 王小明, 杨荣武, 戚金亮, 杨永华 (2014). 乙烯对植物
次生代谢产物合成的双重调控效应. 植物学报 49, 626–639.
植物次生代谢(secondary metabolism)是植物在
长期进化过程中形成的与植物生长发育及其环境相
适应的生命活动 , 由此产生的次生代谢产物 (se-
condary metabolites)不仅参与植物生长发育的调节,
而且可使植物有效地应对生物和非生物胁迫, 如病
毒、类病毒、真菌、低温、干旱、虫害及食草动物的
侵害等(Dangl and Jones, 2001)。植物合成的次生代
谢产物(如酚类、单宁类、萜类、甾体及其甙和生物
碱等)是人类重要的药物及化工原料来源, 具有重要
的经济价值。例如从青蒿(Artemisia annua)中分离得
到的青蒿素是治疗疟疾的首选药物, 同时具有一定的
抗癌活性(Efferth et al., 2011); 红豆杉(Taxus chi-
nensis)中的紫杉醇具有良好的抗癌效果 (Herzog,
2004); 紫草(Lithospermum erythrorhizon)根部产生
的紫草宁具有消炎和抗肿瘤活性 (Sommer et al.,
1999)。次生代谢产物的分布通常有种属、器官、组
织及生长发育时期的特异性 ; 多种胁迫条件(如低
温、干旱和食草动物侵害等)均可诱导次生代谢产物
的产生, 该过程受到多种植物内源激素(如茉莉酸和
乙烯等)的调控(Diezel et al., 2011)。乙烯是植物的一
种气态内源激素, 在植物生长发育和应对生物及非
生物胁迫过程中具重要调控作用, 其产生及信号转
导途径受到多种因素的调控。乙烯对植物次生代谢产
物的形成存在抑制和促进双重调控效应, 这种调控
效应是乙烯与细胞内外多种因子共同作用的结果
(Ruther and Kleier, 2005; Hossain et al., 2009;
Jeong et al., 2010)。研究其调控的生理及分子机制,
对于以植物次生代谢产物为基础的生物工程技术的
发展具重要意义。
1 植物次生代谢产物的产生及其调控因素
鉴于植物次生代谢产物的重要作用 , 特别是有些
次生代谢产物具有独特的抗癌、抗病毒、消炎和
作为免疫抑制剂等药用价值 , 其合成和调控的分
子机制成为近年来植物研究领域的热点之一 (Vai-
·专题论坛·
方荣俊等: 乙烯对植物次生代谢产物合成的双重调控效应 627
shnav and Demain, 2011)。通常认为 , 次生代谢产
物的产生是植物在长期进化过程中形成的对周围
生物和非生物环境的一种适应 , 次生代谢途径由
初生代谢派生而来 , 具有自己独特的代谢途径 ,
并受到多种因素——外界环境因素(如光照和金属
离子等 )及植物自身因素 (如内源激素等 )(Iriti and
Faoro, 2009)的调控。
1.1 植物次生代谢产物产生的途径
目前 , 次生代谢产物按照其合成途径 , 可大致分
为3种 , 即苯丙素类代谢途径、异戊二烯和生物碱
相关代谢途径(Dixon, 2001)。
苯丙素类代谢途径的前体有来源于糖酵解的磷
酸烯醇丙酮酸和磷酸戊糖途径的赤鲜糖-4-磷酸, 二
者均产生莽草酸和分支酸两个中间体。该代谢途径可
合成水杨酸、反式肉桂酸、香豆酸、阿魏酸和芥子酸,
其终产物可形成相应的醇类, 即香豆醇、松柏醇、芥
子醇, 或形成木酚素、木质素、角质素、芪类、黄酮、
黄酮醇、异黄酮及花青素等黄酮类化合物(Iriti and
Faoro, 2009)。
类异戊二烯(isoprenoid)类化合物, 也叫萜类化
合物(terpenoids), 包括醌类、甾醇类和维生素类、植
物激素类、色素以及芳香油类等 (Iriti and Faoro,
2009)。乙酰辅酶A(acetyl coenzyme A, CoA)是类异
戊二烯合成的前体。该代谢途径形成半萜(C5)类物
质、一萜类(C10)或芳香油类, 如薄荷、柠檬烯、香叶
醇和松油萜(蒎烯)等高挥发性的开链环状化合物和环
倍半萜(C15), 如抗生素化合物(植物抗菌素)和二萜
类(C20)(Homann et al., 1996)。此外, 通过头-头缩
合, 两分子的倍半萜(C15)可合成三萜类(C30), 如油
菜甾醇内酯, 也可产生四萜(C40), 如胡萝卜素、番
茄红素和叶黄素、玉米黄质和紫黄质等(Chappell,
1995; Cheng et al., 2007)。
生物碱(alkaloid)合成不存在一个共有路径。大部
分生物碱是氨基酸的衍生物, 部分生物碱来源于烟
酸、邻氨基苯甲酸、类异戊二烯和嘌呤等(Hughes and
Shanks, 2002)。从生物合成的来源来看, 从鸟氨酸可
产生吡咯烷、莨菪烷和吡咯齐定生物碱类(如可卡因
和阿托品等); 从赖氨酸可产生哌啶、喹嗪烷及吲哚联
啶生物碱; 从酪氨酸可产生吗啡、箭毒素和罂粟碱等
生物碱; 从色氨酸可产生长春刀灵、长春质碱、奎宁
和喜树碱等生物碱; 尼古丁是吡啶类生物碱, 烟酸是
其合成的前体; 嘌呤生物碱包括茶碱、可可碱和咖啡
因, 分别在茶、可可和咖啡中发现(De Luca and St
Pierre, 2000; Facchini, 2001)。
1.2 影响及调控次生代谢产物的因素
影响及调控次生代谢产物的因素很多, 大体上可分为
生物及非生物因素两类。由于合成次生代谢产物的前
体物质大多来源于初生代谢途径, 除生物因素外, 一
些影响初生代谢途径的非生物因素, 如营养元素水
平、胁迫因子(干旱、极端温度和紫外辐射等)、光和
CO2浓度等同样会影响次生代谢产物的形成(Lavola
et al., 2000; Rao and Ravishankar, 2002), 一些胁
迫因子会增加次生代谢产物的合成量(Verpoorte et
al., 2002); 而植物激素的类型、浓度及其比例往往是
影响次生产物形成的关键因素之一(Vining, 1990)。
1.3 次生代谢产物与植物激素的关系
植物激素是一类以很低浓度就能对植物生长起调节
作用的特殊效应单分子, 对植物生长发育起调节作用
的物质还包括植物激素的衍生物 (Nambara and
Marion-Poll, 2005)。植物激素大致分为9类, 即细胞
分裂素(cytokinin, CKs)、生长素(auxin)、油菜素内酯
(brassinosteroid, BR)、 脱落酸(abscisic acid, ABA)、
赤霉素(gibberellin, GA)、乙烯(ethylene, ET)、水杨
酸(salicylic acid, SA)、茉莉酸(jasmonic acid, JA)
和独角金内酯(strigolactones, SLs)(Hanano et al.,
2006; Gomez-Roldan et al., 2008)。
植物生长发育过程受到多种激素的调节, 一种
激素能调节植物生长发育的多个时期; 而一个特定
的生长发育过程也可受到多种激素的调节 (Gray,
2004)。一方面, 多种内源激素合成的前体物质来源
于植物初生代谢途径或次生代谢途径, 如赤霉素、脱
落酸和细胞激动素等, 这3种激素均为类异戊二烯途
径产生的次生代谢产物(Oudin et al., 2007); 外界的
胁迫条件会打破初生代谢和次生代谢之间的平衡,
使多种激素浓度发生变化, 各类激素承担相应的调
控效应, 使植物达到对环境的适应(Kerchev et al.,
2012)。另一方面, 植物激素对植物产生的次生代谢
产物具调节作用, 且存在浓度依赖性(Biondi et al.,
628 植物学报 49(5) 2014
2004)。此外, 产生相同量的次生代谢产物所需的各
类激素浓度也存在很大差异。例如莨菪 (Anisod-
us tanguticus)毛状根中产生等量的莨菪碱, 所用的
IAA浓度为0.1 μmol·L–1, NAA浓度则为1.0 μmol·L–1
(Vanhala et al., 1998)。
2 乙烯的合成及信号转导途径
乙烯作为一种气态的植物内源激素, 广泛调节植物的
生长发育、防御反应及次生代谢产物的合成(Jeong et
al., 2006)。
2.1 乙烯的合成及调控
S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosyl methionine, SAM)在
ACC合酶(ACC synthetase, ACS)的作用下转化为1-
氨基环丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carbo-
xylic acid, ACC), ACC是乙烯合成的直接前体。该反
应步骤为乙烯合成的关键步骤, 也是乙烯合成过程中
的限速步骤。ACC氧化酶以ACC为底物, 催化乙烯合
成的最后一步, 产生乙烯的同时, 也产生二氧化碳和
氰化物(Wang et al., 2002; 陈涛和张劲松, 2006)。
乙烯生物合成被严格调控, 其合成过程中涉及的
2个关键酶(ACS和ACO)均为多基因家族编码, 并受
到乙烯的反馈调控(Johnson and Ecker, 1998)。
2.2 乙烯的信号转导途径及调控
乙烯合成后在辅因子Cu2+的介导下, 与位于内质网的
膜受体结合(Woeste and Kieber, 2000)。乙烯受体及
位于其下游的第1个信号传递蛋白CTR1(serine/threo-
nine protein kinase)均是乙烯信号的负调控因子。乙
烯与受体结合后, 使其失去与CTR1的结合活性, 由
此激活膜蛋白EIN2的活性, 使乙烯信号向细胞核传
递(Chen et al., 2005)。
EIN2下游的乙烯信号途径由一个植物特有的核
蛋白EIN3/EILs(ethylene-insensitive3/EIN3-like pro-
teins)介导。EIN3是乙烯信号转导途径中起关键作用
的正向调控转录因子, 乙烯可促进EIN3/EIL1的稳定
性(Binder et al., 2004), 而JA也可通过去除JAZ蛋白
增强EIN3/EIL1的活性(Zhu et al., 2011)。组成型光形
态建成1蛋白 (constitutively photomorphogenic 1,
COP1)对EIN3/EIL1也具正向调控作用(Zhong et al.,
2009)。EIN5编码的一个核糖核酸外切酶XRN 4能拮抗
F-box亚族蛋白的2个成员EBF1/EBF2对EIN3的降解,
对EIN3/EIL1的转录后水平进行调节(Binder et al.,
2007); 茉莉酸ZIM结构域蛋白(JA-Zim domain, JAZ)
及葡萄糖能负调控EIN3/EIL1。EIN3/EIL1可结合ERE-
BP(ethylene-response element binding protein)家族
成员, 如ERF1(ethylene response factor 1)的启动子
区域, 并调控其表达(安丰英和郭红卫, 2006)。
与EIN3/EIL1一样, AP2/ERF(APETALA2/ETHY-
LENE RESPONSE FACTOR)家族中多个成员的表
达需要乙烯和JA信号的协同作用(Zhou et al., 2010)。
如AP2/ERF家族的2个成员(ERF1和ORA59)能被JA
和乙烯协同诱导表达, 是乙烯和JA信号转导途径的
关键调节因子之一(Pre et al., 2008)。ERF1的表达同
时需要JA和乙烯2条途径, 它能特异性结合下游乙烯
反应基因 (如防卫素基因PDF1.2(PLANT DEFEN-
SIN1.2)及HLS1(HOOKLESS1)的反式作用元件GCC-
box), 并调控其表达。这类含GCC-box基因编码的乙
烯信号途径末端效应蛋白将最终执行乙烯应答反应,
如抗逆反应和生长发育等(Guo and Ecker, 2004)。
3 乙烯调控次生代谢产物的基本途径
植物在初生代谢的同时, 能利用细胞膜受体蛋白建立
一定的识别机制, 激活促分裂原活化蛋白激酶(mito-
gen-activated protein kinase, MAPKs)及多种内源激素
信号转导途径, 由此激活植物的防御反应(Clay et al.,
2009); 并通过苯丙素类代谢途径, 异戊二烯和生物碱
代谢途径, 产生次生代谢产物以应对环境变化及多种
生物和非生物胁迫(Pilar López-Gresa et al., 2011)。
乙烯合成后, 受体ETR在Cu2+和Cu2+转运蛋白
RAN1的协助下与乙烯结合, MAPKK激活后将信号传
给膜蛋白EIN2, 由此激活了膜蛋白EIN2的活性, 使
乙烯信号继续向细胞核传递(Gray, 2004)。EIN2与定
位于细胞核的乙烯信号起正向调控作用的转录因子
EIN3/ EIL1结合。EIN3/ EIL1能结合到ERF1启动子的
PERE元件上, ERF1再特异性结合到下游乙烯反应基
因的反式作用元件GCC-box上而调控其表达。这类含
GCC-box基因编码的乙烯信号途径末端效应蛋白,
最终执行乙烯应答反应, 如抗逆反应、生长发育和次
生代谢产物合成等(Fujimoto et al., 2000)(图1)。例如,
方荣俊等: 乙烯对植物次生代谢产物合成的双重调控效应 629

图1 乙烯信号转导及次生代谢产物合成模型

Figure 1 Model of the ethylene-signaling pathway and the
synthesis of secondary metabolites


在烟草(Nicotiana tabacum)中, ERF189和ERF163等
能特异性结合到烟草尼古丁合成相关基因PMT2启动
子区域的GCC-box上, 直接促进烟草生物碱的合成
(Shoji et al., 2010)。
4 乙烯对次生代谢产物的双重调控效应
乙烯与次生代谢产物形成的关系在多种植物的植
株、细胞培养体系和毛状根培养体系中已被广泛研
究。乙烯对次生代谢产物存在的促进和抑制双重调控
效应涉及诸多乙烯合成、信号转导及相互作用因子
(表1)。
4.1 乙烯对次生代谢产物的促进效应
植物在胁迫条件下, 通常伴随乙烯含量的升高, 升高
的乙烯可促进次生代谢产物的形成。例如, 食草动物
侵害烟草后, 烟草产生的乙烯量增加, 且高于机械损
伤时产生的乙烯量, 同时ACS活性增强, 烟草产生的
尼古丁增加(von Dahl et al., 2007)。
乙烯对次生代谢产物的促进作用涉及多个转录
因子。乙烯信号一般与JA信号协同作用, 通过AP2/
ERF家族转录因子结合下游启动子区域含GCC-box
的基因, 如PDF1.2、Thi2.1和PR4等, 它们的表达可
促进次生代谢产物的合成 (Brown et al., 2003)。
AP2/ERF家族的B3亚族蛋白ORCA3和ORA59是2个
典型的与次生代谢产物调控相关的转录因子, OR-
CA3能激活萜类化合物中吲哚生物碱合成相关酶的
表达, 上调萜类化合物吲哚生物碱的合成(van der
Fits and Memelink, 2000, 2001); ORA59不仅与激素
介导的抗病机制相关, 而且参与调控次生代谢产物的
形成(Pre et al., 2008)。生物信息学分析推测, 紫草
LeERF-1、ORCA3和ORA59调控次生代谢产物的作
用类似, 可能是紫草次生代谢产物紫草宁合成的关键
正调控因子之一(Zhang et al., 2011)。除了ORCA3
和ORA59, 烟草AP2/ERF蛋白家族中的ERF189至
少调控6个与尼古丁合成相关的基因表达(Shoji et al.,
2010), 而ORC1/ERF221能上调不同烟草品种中吡
啶类生物碱的合成(De Boer et al., 2011)。
鉴于乙烯、乙烯合成及信号转导途径中的转录因
子和关键酶对次生代谢产物的生成具促进作用, 在许
多植株、细胞和毛状根等培养体系中, 多采用添加乙
烯、ACC和过表达相关转录因子的方法来提高有一定
药用价值的次生代谢产物的产量(Gantet and Me-
melink, 2002)。例如, 在红豆杉细胞培养中添加0.018
mL·L–1的乙烯可大幅提高紫杉烷的产量(Pan et al.,
2000); 拟南芥(Arabidopsis thaliana)中添加ACC可
促进黄酮的合成(Buer et al., 2006); 在一定浓度范围
内添加乙烯或用ACC处理柏树(Platycladns orien-
talis)细胞 , 可促进β-红柏素的生成 (Zhao et al.,
2004); 过表达ORC1/ERF221能上调不同烟草品种
中吡啶类生物碱的合成(De Boer et al., 2011)。
对同一种次生代谢产物, 乙烯和其它激素的调控
效果存在差异。乙烯和ABA能促进糖对黄酮类化合物
特别是花青素的诱导合成, 而GA和IAA则抑制蔗糖
对花青素的诱导合成, 乙烯的抑制剂Ag+明显抑制乙
烯对花青素合成的正向调控作用 (Hossain et al.,
2009)。
4.2 乙烯对次生代谢产物的抑制效应
乙烯不仅对次生代谢产物具促进作用, 而且具抑制效
应。如乙烯能抑制厚叶越橘(Vaccinium crassifolium)
细胞中花青素和类胡萝卜素等次生代谢产物的形成
(Shibli et al., 1997)。乙烯和JA对次生代谢产物的调
630 植物学报 49(5) 2014
表1 已鉴定的参与乙烯调控和反馈调控次生代谢产物的调控因子
Table 1 Regulatory factors identified participating in the ethylene-regulated biosynthesis of secondary metabolites
and in its feedback regulation
实例 调控因子
类型
调控因子
名称
调控原理
基因名称 植物 调控次生代谢方式 参考文献
乙烯合成
调控因子
ACS(ACC
合成酶)
调控乙烯合成前体ACC的合成,
其不同亚型也受到乙烯及细胞
内其它因子的反馈调控
MdACS 苹果(Malus
pumila)
增加苹果中挥发性次生
代谢产物的合成
Dandekar et
al., 2004
NaACS3 烟草(Nicotiana
tabacum)
拮抗尼古丁的合成 von Dahl et al.,
2007; Wu et al.,
2008
ACO(ACC
氧化酶)
调控乙烯合成, 其不同亚型也被
合成的乙烯及其它因子差异地
反馈调节
MdACO 苹果(M. pumila) 增加苹果中挥发性次生
代谢产物的合成
Dandekar et
al., 2004
NaACO2a/
NaACO3
烟草(N. taba-
cum)
拮抗尼古丁的合成 von Dahl et al.,
2007; Wu et al.,
2008
乙烯信号
转导途径
调控因子
AP2/ERF
家族蛋白
受乙烯及JA协同诱导, 特异性
结合到次生代谢产物合成相关
基因启动子区域, 直接调控次生
代谢产物的合成
ERF1 烟草(N. taba-
cum)
上调萜类化合物吲哚生
物碱的合成
Shoji et al.,
2010
ERF189/
ERF163
烟草(N. taba-
cum)
促进烟草生物碱的合成 Shoji et al.,
2010; De Boer
et al., 2011
ORCA3/
ORA59
烟草(N. taba-
cum)
上调萜类化合物及吲哚
生物碱的合成
van der Fits
and Memelink,
2000
ORC1/
ERF221
烟草(N. taba-
cum)
上调不同烟草品种中吡
啶类生物碱的合成
van der Fits
and Memelink,
2001; De Boer
et al., 2011
其它内源
激素
JA 协同乙烯信号, 调控EIN3/EIL1
及AP2/ERF家族蛋白, 正反调
控次生代谢产物的合成
– 葡萄(Vitis vini-
fera)
正常浓度乙烯与JA协同
作用促进花青素的合成
El-Kereamy et
al., 2003
– 烟草(N. taba-
cum)
高浓度乙烯拮抗JA对次
生代谢产物的调控, 抑
制JA诱导尼古丁的合成
Shoji et al.,
2000
SA SA促进ACS的转录水平; SA与
乙烯结合抑制JA应答基因的表
达; 乙烯对SA与JA之间的互作
起正负2种调控效应
– 长春花
(Catharanthus
roseus)
乙烯与SA共同作用, 显
著促进长春碱及长春刀
灵等生物碱的合成
Pan et al., 2010
ABA 乙烯协同ABA促进糖诱导的黄
酮类化合物的合成; ABA拮抗乙
烯-JA信号对次生代谢产物的
调控
– 香蜂草(Melissa
officinalis)
协同乙烯促进花青素的
合成
Hossain et al.,
2009
相互作用
因子
MYB 乙烯通过抑制花青素合成的正
向调控因子, 正调控花青素合成
的抑制因子的表达, 抑制糖和光
诱导的花青素的合成, 其抑制或
促进效应取决于乙烯的浓度
MYBL2 拟南芥
(Arabidopsis
thaliana)
乙烯正调控
R3-MYB-MYBL2, 抑制
花青素的合成
Dubos et al.,
2008

方荣俊等: 乙烯对植物次生代谢产物合成的双重调控效应 631
表1 (续) Table 1 (continued)
实例 调控因子
类型
调控因子
名称
调控原理
基因名称 植物 调控次生代谢方式 参考文献
GLABRA3 拟南芥
(A. thaliana)
乙烯负调控GLABRA3,
抑制花青素的合成
Jeong et al.,
2010
糖 乙烯促进或抑制蔗糖诱导的次生代
谢产物的含量
– 香蜂草
(M. officinalis)
协同乙烯促进黄酮及花
青素的合成
Jeong et al.,
2010
光 乙烯促进或抑制光诱导的次生代谢
产物的含量
– 厚叶越橘
(Vaccinium
crassifolium)
抑制细胞中花青素和类
胡萝卜素等次生代谢产
物的形成
Shibli et al.,
1997
Ag+ 与Cu2+竞争乙烯受体上乙烯结合位
点, 使乙烯受体失去与乙烯的结合
活性, 阻断乙烯信号转导途径
– 香蜂草
(M. officinalis)
显著抑制乙烯对花青素
合成的正向调控作用
Hossain et al.,
2009
Ca2+ 乙烯调控Ca2+流及JA的合成, 与
JA协同调控次生代谢产物的合成
– 玉米(Zea mays)/
苜蓿(Medicago
sativa)
协同乙烯和JA促进倍半
萜类的合成, 抑制单萜的
合成
Sudha and
Ravishankar,
2002; Ruther
and Kleier,
2005
CO2 ACO的活性依赖于CO2, 一定浓度
的CO2促进乙烯的合成, 高浓度的
CO2对乙烯有抑制作用, 间接影响
乙烯对次生代谢产物的调控
– 唐松草
(Thalictrum
aquilegifolium)
低浓度促进乙烯对小檗
碱的合成调控
Khan, 2004
– 长春花
(C. roseus)
高浓度抑制乙烯对小檗
碱的合成调控
Lee-Parsons,
2007
JA: 茉莉酸; SA: 水杨酸; ABA: 脱落酸; MYB: 禽成髓细胞白血病癌基因同源基因; ACC: 1-氨基环丙烷-1-羧酸; ACS: ACC合成酶;
ACO: ACC氧化酶
JA: Jasmonic acid; SA: Salicylic acid; ABA: Abscisic acid; MYB: v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog; ACC:
1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid; ACS: ACC synthetase; ACO: ACC oxidase


控具协同和拮抗双重作用。一方面, 乙烯与JA协同调
控植物的防御反应, 促进许多次生代谢产物的合成,
如乙烯可促进葡萄(Vitis vinifera)中花青素合成相关
基因的表达, 将花青素含量提高10倍(El-Kereamy et
al., 2003), 也能促进烟草中尼古丁合成相关基因的表
达, 上调尼古丁及吡啶类生物碱的合成(von Dahl et
al., 2007; Shoji et al., 2010); 另一方面, 乙烯拮抗JA
对次生代谢产物的调控, 如乙烯可抑制烟草中JA诱导
的尼古丁合成(Shoji et al., 2000; Wu et al., 2008)。
乙烯不仅拮抗JA诱导的花青素的合成, 而且拮
抗拟南芥中糖诱导的花青素的合成。糖和光能正向调
控花青素的合成, 而乙烯通过抑制GLABRA3等花青
素合成的正向调控因子, 正调控花青素合成的抑制因
子R3-MYB家族蛋白MYBL2的表达, 抑制糖和光诱
导的花青素的合成(Dubos et al., 2008; Jeong et al.,
2010)。
5 乙烯对次生代谢产物的双重调控作用
机理
乙烯对次生代谢产物的调控是细胞内外多种因素综
合作用的结果, 这些因素大致可分为细胞外因素和细
胞内因素。细胞外因素包括温度、光和多种胁迫条件
(如干旱、极端温度、病原侵害和机械损伤等)。细胞
内因素包括多种信号分子和转录因子, 除乙烯之外的
其它激素及泛素蛋白酶体系统(ubiquitin proteasome
system, UPS)介导的蛋白质降解等 (Wang et al.,
2002; McClellan and Chang, 2008)。各种因素均存
在交叉反应和相互作用, 影响细胞内乙烯的合成, 使
乙烯对次生代谢产物的调控具一定的浓度依赖性, 在
细胞内形成复杂的反馈调节机制, 最终形成乙烯对次
生代谢产物的双重调控效应(图2)。
632 植物学报 49(5) 2014


图2 乙烯对植物次生代谢产物合成的调控模式

Figure 2 Regulating effects of ethylene on the formation of
plant secondary metabolites

5.1 乙烯的合成受到反馈调控
乙烯合成的前体ACC能促进乙烯的合成; AVG(ami-
noethoxy-vinylglycine)则可抑制ACS的活性; CoCl2
和AIBA是ACO的抑制剂, 能阻断乙烯的合成。
ACS和ACO是2个关键的多基因家族基因, 其家
族成员具有不同的酶活性, 可执行不同的功能, 在乙
烯合成过程中对乙烯合成具精细的调控作用(Tsuc-
hisaka and Theologis, 2004a)。ACS活性的调节属于
翻译后调节, ACS磷酸化可增强其稳定性, 以维持其
增强的活性(Chae et al., 2003; Kamiyoshihara et al.,
2010)。ACO在拟南芥中至少有17个成员, 其不同亚
型被合成的乙烯及其它因子差异地反馈调节(Thain
et al., 2004)。
ACS和ACO不同亚型的活性不仅受到乙烯的反
馈调控 , 而且受到细胞内其它因子的差异性调控
(Johnson and Ecker, 1998)。如在番茄(Lycopersicon
esculentum)果实成熟过程中, 乙烯负调控LEACS1A
和LEACS6的表达, 正向调控LEACS2的表达(Barry
et al., 2000; Thain et al., 2004); IAA诱导拟南芥根部
ACS2, 4, 5, 6, 7, 8及ACS11的组成型表达, 下胚轴
伤害也可诱导ACS2, 4, 6, 7, 8及ACS11的表达, 但
抑制ACS1和ACS5的组成型表达(Tsuchisaka and
Theologis, 2004b); 拟南芥ACS8是所有成员中仅仅
在根尖表达的基因, 其强烈地被生长素、光强度和昼
夜节律诱导上调, 但被乙烯反馈抑制而下调(Thain et
al., 2004)。由于乙烯的生物合成被正向或逆向调控,
直接影响了乙烯对次生代谢产物的调控, 如转基因抑
制ACS或ACO产生共抑制 , 均会导致苹果 (Malus
pumila)中挥发性次生代谢产物减少(Dandekar et al.,
2004)。
5.2 乙烯信号转导途径受到调控
乙烯合成后的信号转导途径受到多种因子(如转录因
子、其它激素、信号分子、miRNA和金属离子等)的
调控, 包括UPS调控相应蛋白的降解作用。
乙烯信号转导途径中的转录因子主要通过调控
基因的转录和转录后的蛋白质水平影响次生代谢产
物的合成(Singh et al., 2002; Vom Endt et al., 2002);
而转录因子自身也受到反馈调控。如EIN3和ERF1均
为转录因子, 是乙烯信号转导途径中的多基因家族,
它们与ACS和ACO一样, 其合成和合成后蛋白活性
均受到反馈调控, 进而影响乙烯对次生代谢产物的调
控(McClellan and Chang, 2008)。
UPS通过介导ACS、乙烯受体和EIN3蛋白质的
降解, 对乙烯信号有正向和逆向2种调控方式(Stone
and Callis, 2007)。UPS除了介导ACS蛋白降解, 负
调控乙烯合成外, 对乙烯信号转导的调控主要分为2
步 : 一是调控乙烯受体 , 如拟南芥乙烯受体ETR2,
番茄乙烯受体NR、LeETR4和LeETR6的降解, 正调
控乙烯的信号转导; 二是SCFEBF1/EBF2在XRN4协助
下介导EIN3的降解, 降低ERF1的转录水平, 对乙烯
信号反馈调控(Chae et al., 2003; Stone and Callis,
2007)。
此外, 一些金属离子对乙烯信号转导也具调控作
用, 如Ag+竞争了Cu2+与乙烯受体上乙烯结合位点的
结合, 使乙烯受体失去与乙烯的结合活性, 阻断了乙
烯信号转导途径(Heidstra et al., 1997), 进而影响了
乙烯对次生代谢产物的调控。
5.3 细胞种类和乙烯浓度影响乙烯对次生代谢产
物的调控
乙烯对次生代谢产物具抑制还是促进作用, 首先取决
于实验的细胞种类和细胞株系, 不同物种或同一物种
的不同细胞, 乙烯的产生及其对次生代谢产物的调控
作用不同(Jeong et al., 2006)。其次, 乙烯对次生代
谢产物的调控具浓度依赖性, 即在一定浓度范围内乙
烯促进次生代谢产物的形成, 高于一定浓度, 则对次
生代谢产物的形成起抑制作用。如柏树细胞中β-红柏
素的合成依赖于乙烯浓度: 高浓度乙烯(>300 mg·L–1)
抑制β-红柏素的合成, 促进β-红柏素合成的最佳乙烯
方荣俊等: 乙烯对植物次生代谢产物合成的双重调控效应 633
浓度为200 mg·L–1, ACC浓度为200 mmol·L–1(Zhao
et al., 2004)。
5.4 CO2和miRNA等其它因子影响乙烯对次生代
谢产物的调控
乙烯与其它因素(包括金属离子、活性氧、CO2、糖和
miRNA等)具相互协同及抑制效应, 共同调控次生代
谢产物的形成。乙烯对同一种次生代谢产物(如人参
皂苷)同时具有抑制或促进效应, 除了取决于乙烯浓
度外, 还受到CO2、O2、糖和离子导电性等因子的影
响(Jeong et al., 2006)。例如在长春花(Catharanthus
roseus)的细胞培养中 , 当内源乙烯浓度大于0.24
mg·L–1时, 长春花阿吗碱会被完全抑制, 当乙烯浓度
降至0.03–0.07 mg·L–1时, 重新开始合成阿吗碱。一
定浓度的CO2则对乙烯诱导的长春花阿吗碱有抑制
作用(Lee-Parsons, 2007)。CO2对乙烯合成非常重要,
因为ACO的活性依赖于CO2, 高浓度CO2对乙烯有抑
制作用, 间接影响乙烯对次生代谢产物的调控, 如低
浓度乙烯能促进唐松草(Thalictrum aquilegifolium)中
小檗碱的合成, 乙烯浓度达到200 mg·L–1时则抑制小
檗碱的产生; 当CO2浓度为2%(v/v)时, CO2对乙烯产
生抑制作用 , 增加了小檗碱的产量(Linden et al.,
2001; Khan, 2004)。紫杉(Taxus cuspidata)细胞培养
中, 高浓度乙烯抑制紫杉醇的合成, 紫杉醇产生的最
佳浓度组合为10%(v/v)O2、0.5%(v/v)CO2及5 mg·L–1
乙烯, 乙烯是其中的关键影响因子(Mirjalili and Lin-
den, 1996; Pan et al., 2000; Zhong, 2002)。红豆
杉细胞培养中 , 紫杉醇产生的最佳气体浓度组合
为10%(v/v)O2、0.5%CO2和5 mg·L–1乙烯, 其中JA对
促进紫杉醇的合成也有一定的影响(Linden et al.,
2001)。
糖类特别是葡萄糖是初生代谢合成的碳源, 具有
类似于植物激素的调控功能, 它能协同泛素/26S蛋
白酶体对EIN3/EIL1降解, 拮抗乙烯信号, 影响乙烯
的胁迫反应和对次生代谢产物的调控(Yanagisawa
et al., 2003)。糖和光可正向调控花青素的合成, 蔗糖
能显著增加香蜂草(Melissa officinalis)中黄酮及叶中
花青素的含量。乙烯通过正调控或负调控花青素合成
相关的转录因子, 拮抗糖、光和JA诱导的花青素合成
(Jeong et al., 2010)。
MicroRNAs(miRNAs)也可能介导乙烯对次生代
谢产物的调控。miRNAs是一种小的非编码调控
RNAs, 它通过靶向mRNAs并剪切转录因子, 参与植
物激素的信号转导和调控(Liu and Chen, 2009)。在
苜蓿(Medicago sativa)中发现了10个与乙烯应答反
应相关的miRNAs, 分别属于6个miRNA家族(Chen
et al., 2012); miR1917靶向CTR1(Moxon et al.,
2008); 番茄中发现miR159靶向ACS, miR828靶向
EIN2, EIN2介导miR164的降解, 而ACS、CTR1及
EIN2为乙烯合成和信号转导的重要蛋白(Pulido and
Laufs, 2010)。在水稻(Oryza sativa)中也发现miR394
靶向E3类泛素蛋白连接酶SCF(Skp1、Cullin和F-box)
复合物, 通过介导靶标蛋白的降解参与乙烯的信号转
导(Jain et al., 2007; Liu et al., 2008)。另外, miR948
靶向细胞色素P450蛋白家族, 而细胞色素P450s与
多种次生代谢产物(如香豆素类、花青素和类胡萝卜
素等)密切相关(Legrand et al., 2010); miR319、
miR172、miR159、 miR156、miR166、miR414及
miR2102靶向转录因子MYB, MYB与花青素等次生
代谢产物相关(Xie et al., 2010), 表明miRNA与乙烯
合成和信号转导相关, 并可能间接参与乙烯对次生代
谢产物的调控。
5.5 乙烯与其它内源激素协同调控次生代谢产物
的合成
其它内源激素与乙烯形成复杂的调控网络, 在金属离
子和糖等因子的协同作用下, 共同调控胁迫反应和次
生代谢产物的合成。如AtERF4能调控乙烯与ABA之
间的拮抗效应(Broekaert et al., 2006); 长春花在乙烯
和SA的共同作用下, 显著促进长春碱及长春刀灵等生
物碱的合成, 而ABA对长春花生物碱的形成具强烈的
抑制作用, 拮抗乙烯和SA对生物碱合成的诱导作用
(Pan et al., 2010)。此外, SA对乙烯及JA介导的防御反
应和次生代谢产物的合成具拮抗作用; Ca2+也影响乙
烯对次生代谢产物的调控(Sudha and Ravishankar,
2002)。在玉米或苜蓿中, 乙烯通过调控细胞质早期信
号(如Ca2+流及JA的合成)与JA协同促进倍半萜类的合
成, 抑制单萜的合成(Ruther and Kleier, 2005)。
乙烯和ABA能促进糖诱导的黄酮类化合物特别
是花青素的合成, GA和IAA则抑制蔗糖对花青素的诱
导合成, 乙烯的抑制剂Ag+明显抑制了乙烯对花青素
合成的正向调控(Hossain et al., 2009)。
634 植物学报 49(5) 2014
JA诱导的转录因子能与EIN3共同结合到At-
ERF1的启动子上, AtERF1则调控次生代谢产物合成
相关基因的表达(Guo and Ecker, 2004)。烟草中的
ORC1/ERF221与bHLH(basic helix-loop-helix)因子
协同上调不同烟草品种中JA诱导的吡啶类生物碱的
合成(De Boer et al., 2011); AP2/ERF家族转录因子
ORCA3能特异性结合到萜类化合物吲哚生物碱合成
相关基因的上游, 上调此类基因的表达。细胞培养时
添加MJ, 可促进此类生物碱的合成(Montiel et al.,
2011), 表明乙烯和JA在调控次生代谢产物方面存在
协同作用。JA与乙烯共同调控AP2/ERF转录因子家
族基因的表达, 该家族基因编码的ERF1和ORA59等
调控了乙烯及JA所诱导的大部分与防御相关的基因
及与次生代谢产物合成相关基因的表达。如ERF1上
调了碱性壳多糖酶基因B-CHI、防卫素基因PDF1.2、
HLS1(HOOKLESS1)、PR-4(basic chitinase)、VSP2
(Leon-Reyes et al., 2010)甘肽合酶基因(AK099489,
AK063796)和尼古丁合成相关基因PMT2等的表达
(Shoji et al., 2010)。
乙烯和其它内源激素对次生代谢产物的协同调
控涉及多个基因的表达。对拟南芥1 026个基因的功
能分析表明, 任意两种激素之间均存在共同的调控基
因; 约17%的基因与1种以上激素的功能相关; 在各
个生长发育过程及胁迫条件下, 均有一系列激素及其
相关基因参与调控。对拟南芥某个特定条件下基因的
表达分析显示, 有21个基因参与了6种激素的调控, 并
且21个基因全部编码转录因子或其相关蛋白, 表明这
类转录因子是多种激素相互作用的关键调控物质; 一
些小分子物质(如NO)也参与乙烯与其它植物激素之间
的相互作用; 乙烯与其它植物激素之间的作用方式也
受到植物生长发育具体时空关系的影响; 外界环境也
影响乙烯与其它激素的互作(Santner et al., 2009)。
总之, 乙烯在其合成和信号转导过程中通过增强
表达和反馈抑制2种方式对外界环境和胁迫条件等作
出响应, 并调控次生代谢产物的合成, 保持细胞内各
种代谢物质(包括次生代谢产物)的基本平衡, 维持植
物的正常生长发育。
6 展望
到目前为止, 模式植物拟南芥的乙烯合成及其信号转
导途径已大致清楚; 多种次生代谢产物的合成代谢途
径及一些具重要药用价值的次生代谢产物(如紫杉
醇、喜树碱、紫草宁和青蒿素等)也有了较深入的研
究, 许多参与黄酮类、萜类、生物碱和木质素等次生
代谢产物的基因及酶也得到了分离和鉴定。对多种植
物的植株、细胞培养体系或毛状根培养体系的研究表
明, 乙烯与次生代谢产物形成的关系存在促进和抑制
两种截然不同的效应, 同时发现多种因素影响乙烯对
次生代谢产物的调控。尽管诸多文献就某一物种研究
了乙烯对次生代谢产物的促进或抑制效应, 但很少对
乙烯的双重调控效应机制作系统且深入的研究。在乙
烯对植物次生代谢调控的研究领域, 还存在一些问题
需进一步探讨。
(1) 乙烯的反馈调控机制。在反馈调控机制中,
乙烯浓度的阈值和在达到该阈值后可能激活哪些信
号分子及其反馈作用机制等有待进一步研究; 乙烯合
成和信号转导途径中一些关键的转录因子(如EIN3/
EIL1等)均受到乙烯及其它信号分子的反馈调控, 其
网络状互作机制尚需进一步验证。
(2) 乙烯调控次生代谢产物合成的时效性。番茄
在低氧胁迫(水淹)条件下, 会产生大量乙烯。除了通
过苯丙素类代谢途径合成黄酮的关键酶PAL及F3H
(flavanone 3-hydroxylase)等16个上调蛋白及13个下
调蛋白外, 半胱氨酸蛋白酶等多个受乙烯调控的产物
在水淹24小时内增加, 随后逐渐减少(Ahsan et al.,
2007), 表明乙烯调控次生代谢产物可能具时效性,
而该时效性是否与乙烯合成受到反馈调控相关还有
待深入研究。
(3) MiRNAs对次生代谢产物合成的调控机理。尽
管我们从诸多文献中发现, miRNAs参与调控乙烯合
成、信号转导和次生代谢产物合成关键酶类, 并可能
参与调控次生代谢产物的形成, 但仅仅局限于间接的
推断。miRNAs在植物中, 特别是在一些药用植物中
对次生代谢产物合成的调控机制, 需进一步验证和分
析, 一些可能参与调控的重要miRNAs有待进一步发
掘和验证。
(4) 乙烯对次生代谢产物合成调控所涉及的多激
素调控网络的调控机制。如对拟南芥的研究, 发现
ERFs转录因子位于乙烯和JA信号的交叉节点, 并且
只有在乙烯和茉莉酸两种信号同时存在时, 才能启动
其表达。而JA信号转导同样受到一定的反馈调控, 乙
方荣俊等: 乙烯对植物次生代谢产物合成的双重调控效应 635
烯和JA信号中的转录因子、次生代谢产物合成基因和
其它植物内源激素的联动表达状况均需深入研究。
(5) 次生代谢产物合成后的转运机制。乙烯对次
生代谢产物合成的双重调控机制必然涉及细胞中次
生代谢产物的合成部位及合成后的转运机制。一些参
与调控的转运蛋白及其转运机制有待进一步发掘和
验证。
此外, 一些药用植物(如红豆杉和紫草等)的乙烯
合成及其信号转导途径中涉及的乙烯受体、关键的转
录因子、其它酶类和下游直接与次生代谢相关的功能
基因的鉴定均有待进一步研究。
综上所述, 乙烯对次生代谢产物的双重调控机制
今后一定会得到更深入的研究。运用双重调控原理,
深入研究乙烯在促进和抑制效应之间的浓度阈值, 不
仅能为人工合成有价值的药用次生代谢产物提供便
利, 而且可促进药用次生代谢产物基因工程的发展。
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Pang1, Guihua Lu1, Xiaoming Wang1, Rongwu Yang1*, Jinliang Qi1, 4*, Yonghua Yang1*
1State Key Laboratory of Pharmaceutical Biotechnology, Institute of Plant Molecular Biology, School of Life Sciences, Nanjing University,
Nanjing 210093, China; 2Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China; 3Nantong University, Nantong
226019, China; 4Huaian High-Tech Research Institute of Nanjing University, Huaian 223005, China
Abstract Plant secondary metabolites are important natural sources for drugs and chemical raw materials. The forma-
tion of these metabolites is closely related to the normal growth and adaptation to environments by plants and could be
regulated by a variety of factors. As an endogenous hormone in plants, ethylene plays important roles in regulating most
plant physiological processes such as growth, development, stress resistance and secondary metabolite biosynthesis.
Here, we review the signal transduction mechanism and regulatory effects of ethylene, especially its dual regulatory ef-
fects, on the formation of plant secondary metabolites, namely, how ethylene promotes the biosynthesis of secondary
metabolites within a range of concentration in plants but has an inhibitory effect on the formation of secondary metabolites
outside of a certain threshold of concentration. We give prospects for further research in this field.
Key words ethylene, secondary metabolites, signal transduction pathway, dual regulation
Fang RJ, Zhao H, Liao YH, Tang CY, Wu FY, Zhu Y, Pang YJ, Lu GH, Wang XM, Yang RW, Qi JL, Yang YH (2014).
Dual regulating effects of ethylene on the formation of plant secondary metabolites. Chin Bull Bot 49, 626–639.
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† These authors contributed equally to this paper.
* Authors for correspondence. E-mail: YangYH@nju.edu.cn; QiJL@nju.edu.cn; robertyang@nju.edu.cn

(责任编辑: 孙冬花)