全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2012, 47 (5): 525–533, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2012.00525
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收稿日期: 2012-01-11; 接受日期: 2012-04-11
基金项目: 国家重点基础研究发展规划(No.2007CB108801)
* 通讯作者。E-mail: chunyi.zhang@caas.net.cn
叶酸在植物体内功能的研究进展
李莎1, 2, 姜凌2, 王崇英1, 张春义2*
1兰州大学生命科学学院, 兰州 730000; 2中国农业科学院生物技术研究所, 北京 100081
摘要 叶酸(folates)是一类水溶性B族维生素, 包括四氢叶酸(THF)及其衍生物, 是植物体中参与C1转移反应的重要辅酶。
其在嘌呤、胸苷酸、DNA、氨基酸和蛋白质的生物合成以及甲基循环中发挥重要作用。近年来, 人们对叶酸在植物体内的
功能又有了新发现。例如, 叶酸可通过结合核糖开关实现基因表达调控; 叶酸在苯丙氨酸转化为酪氨酸过程中可作为电子
供体; 光裂合酶和植物隐花色素的叶酸辅酶可捕获光能; 此外, 叶酸还参与叶绿素的生物合成以及种子抗氧化胁迫等过程。
该文详细综述了上述新发现, 并对植物体内叶酸功能的主要研究方向进行了展望。
关键词 叶绿素合成, 电子供体, 叶酸, 基因表达调控, 光能捕获
李莎, 姜凌, 王崇英, 张春义 (2012). 叶酸在植物体内功能的研究进展. 植物学报 47, 525–533.
叶酸一词源于植物叶片的拉丁词folium, 因为叶
片是一个叶酸库。叶酸是一类水溶性B族维生素, 又
称维生素M、维生素Bc或蝶酰谷氨酸(pteroylglutamic
acid, PGA), 是四氢叶酸(tetrahydrofolate, THF)及其
一系列衍生物的总称。叶酸分子由蝶啶环、对氨基苯
甲环和谷氨酸残基3部分组成(图1), 植物体内谷氨酸
尾数从1–8不等(Blancquaert et al., 2010)。其中, 单
谷氨酸尾形式的叶酸是叶酸转运体所偏好的形式, 而
多谷氨酸尾形式的叶酸则是叶酸依赖型酶所偏好的
形式(Shane, 1989; Orsomando et al., 2005)。
1 叶酸的重要性
人体自身不能从头合成叶酸, 只能从饮食中摄取。为
满足正常生命活动的需要, 推荐成人每日叶酸摄入量
为400 μg, 孕妇每日摄入量应为600 μg左右(Blancq-
uaert et al., 2010)。现已证实叶酸摄入不足会引发巨
幼红细胞贫血和胎儿神经管发育缺陷(neural tube
defects, NTD), 且低水平的叶酸摄入与老年痴呆症、
心血管疾病和多种癌症的发生密切相关(Seshadri et
al., 2002; Stanger, 2004; Choi and Friso, 2005;
Rader and Schneeman, 2006)。
在植物体中, 叶酸作为一碳单位(one-carbon un-
its)的供体和受体(Bekaert et al., 2008), 是参与C1转
移反应的重要辅助因子。其分子中第5位和第10位N
原子可携带的一碳基团(one-carbon groups)包括甲
基(CH3-)、亚甲基(-CH2-)、次甲基(-CH=)和甲酰基
(O=CH-)等(图1)。它们参与嘌呤和胸苷酸的形成以合
成DNA, 也参与甲硫氨酸(methionine, Met)、丝氨酸
(serine, Ser)和甘氨酸(glycine, Gly)的生物合成以及
组氨酸(histidine, His)的分解代谢(Gao et al., 1998;
Hennig et al., 1998; Cook, 2001)。此外, 叶酸在甲基
循环(methyl cycle)中也发挥核心作用, 通过S-腺苷
甲硫氨酸(S-adenosyl methionine, SAM)来实现一系
列的甲基化反应(Blancquaert et al., 2010)。叶酸合成
的中间代谢产物对氨基苯甲酸(para-aminomethyl-
benzoic acid, pABA)的前体代谢物为分支酸, 其可通
过形成苯丙氨酸最终参与木质素的合成; 叶酸也可以
通过甲基循环为甜菜碱生成提供一碳基团, 并且甘氨
酸脱羧酶(glycine decarboxylase, GDC)和丝氨酸羟
甲基转移酶(serine hydroxymethyl transferase,
SHMT)(在光呼吸代谢中负责Gly和Ser相互转换的重
要酶)均需要叶酸衍生物作辅酶来完成一碳基团的转
移(Stekol, 1958; Neish, 1968; Douce et al., 2001)。
因此, 在植物体中, 叶酸对于木质素和甜菜碱的生物
合成以及光呼吸均具有重要作用。近几年来, 随着研
究的不断深入, 人们陆续又发现叶酸在植物体内尚具
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图1 叶酸的化学结构(引自Bekaert et al., 2008, 稍有改动)
叶酸分子由蝶啶(pteridine)、对氨基苯甲酸(pABA)和谷氨酸残基(glutamate)3部分组成。图中所显示的是单谷氨酸尾形式的
四氢叶酸结构。植物叶酸大约有多至7个谷氨酸尾巴连在第1个谷氨酸残基的γ位碳原子上。N-5位和(或)N-10位可连接不同
氧化形式的一碳基团, 如图中R1和R2所示。叶酸结构图右侧列出了天然存在的一碳基团。

Figure 1 Chemical structure of folates (modified from Bekaert et al., 2008)
The folate molecule consists of pteridine, pABA and glutamate moieties marked with square brackets. The folate shown is
the monoglutamyl form of tetrahydrofolate (THF). Plant folates have γ-linked polyglutamyl tails of up to approximately
seven residues attached to the first glutamate. C1 units at various level of oxidation can be attached to N-5 and/or N-10,
as indicated by R1 and R2. The list of naturally occurring C1 units is shown on the right side of the structural formula.


有调控基因表达、提供电子供体和作为天线色素等一
些新功能。
2 叶酸在植物体内的新功能
2.1 基因表达调控
在过去的几十年间, 人们发现细菌的mRNA中天然存
在大量的RNA发夹(hairpin)结构, 它们通常位于5′非
翻译区(untranslated regions, UTRs)中, 这些RNA基
序(motif)作为顺式作用元件对基因表达发挥调控作
用, 被称为核糖开关(riboswitch)(Winkler and Brea-
ker, 2005)。迄今为止, 人们已经鉴定出20多个核糖
开关家族, 它们可以特异性地识别并结合细胞中的多
种基础代谢物, 包括氨基酸、核苷酸、辅酶、氨基糖
和金属离子(Ames et al., 2010)。每一家族的核糖开
关都有其特有的非常保守的碱基序列和二级结构。最
常见的核糖开关主要含有受体结构域(aptamer)和表
达平台(expression platform)两部分。前者通过结合
口袋(binding pocket)结合特异的代谢物, 后者则将
前者的结合事件转化成目标基因的表达调控信息
(Ames et al., 2010)。事实上, 许多核糖开关家族广泛
存在于原核和真核生物中, 它们通常对某种代谢物合
成(或运输)相关的基因表达起反馈抑制作用。在原核
生物中, 主要通过2种方式来实现表达调控: (1) 使
转录提前终止; (2) 使核糖体不能与SD序列正常结
合 , 从而影响翻译的起始 (Barrick and Breaker,
2007)。在真核生物中, 则主要通过对mRNA的可变剪
切(alternative splicing)来影响基因的翻译(Cheah et
al., 2007)。当细胞中某种代谢物分子的浓度超过一定
水平时, 这些分子会与核糖开关的受体结构域结合,
通过上述调控机制使该代谢物分子的浓度维持在一
个相对稳定的水平。例如, 硫胺素焦磷酸(thiamine
pyrophosphate, TPP)和维生素B2核黄素(riboflavin)
的合成均存在核糖开关的调控机制(Sudarsan et al.,
2005; Lee et al., 2009)。
最近的研究表明, 叶酸这种小分子也可通过与核
糖开关结合来调控基因的表达。Ames等(2010)利用
比较序列分析(comparative sequence analyses)的
生物信息学手段鉴定出厚壁菌门(Firmicute)基因组中
负责叶酸吸收和转运的基因folT的5′UTRs通常存在
一段RNA基序 , 该基序含有4段碱基配对的区域
(P1–P4)和1个额外的碱基配对的假结结构(pseudo-
李莎等: 叶酸在植物体内功能的研究进展 527
knot structure), 可与叶酸衍生物(如四氢叶酸和二氢
叶酸)特异性结合。有时这段RNA基序也存在于细菌
叶酸生物合成基因folE、folC和folQPBK的上游, 因此
认为该RNA基序属于候选核糖开关。使用 In-line
probing assay技术分析得知, 由106个核苷酸组成的
RNA基序106 folT与THF结合的解离常数(KD)约为70
nmol·L–1, 二氢叶酸(dihydrofolate, DHF)和四氢生物
蝶呤 (tetrahydrobiopterin)与之结合的KD约为 300
nmol·L–1。而当106 folT与浓度高达1 mmol·L–1的叶
酸、蝶呤、对氨基苯甲酸酯、谷氨酸盐或对氨基苯甲
酸谷氨酸盐共孵育时, RNA结构并未发生变化。此外,
一些N-5和N-10位修饰过的THF衍生物均可与这类
RNA基序结合, 包括5-甲基四氢叶酸(5-CH3-THF)、
5-甲酰四氢叶酸 (5-CHO-THF)、10-甲酰四氢叶酸
(10-CHO-THF)、5,10-亚甲基四氢叶酸 (5,10-CH2-
THF)和5,10-次甲基四氢叶酸(5,10-CH=THF)。其中
N-8位对于这种结合起重要作用, 证明该RNA基序属
于迄今为止确认的又一个能识别辅酶(或辅酶衍生物)
的核糖开关。考虑到叶酸是细菌生长繁殖必需的营养
物质, 四氢叶酸核糖开关也许可以作为一个新的药物
靶点。人们可以利用叶酸衍生物来“诱骗”细菌对其
体内叶酸的生物合成及运输进行错误调控, 从而达到
消灭细菌病原微生物的目的。
2.2 电子供体
已知芳香族氨基酸羟化酶(aromatic amino acid hydr-
oxylases, AAHs)是一类存在于动物、原生生物和细
菌中的铁离子依赖型单加氧酶(iron-dependent mono-
oxygenases), 它们以四氢蝶呤(tetrahydropterin)作
为电子供体使芳香族氨基酸的苯环发生羟化(Fitzpa-
trick, 1999)。一般认为AAHs不存在于植物界, 然而近
年来通过比较基因组学的分析发现, 一些非开花植物
(nonflowering plant)基因组也可编码AAHs类蛋白质
(Naponelli et al., 2008)。 Pribat等(2010)在裸子植
物、苔藓植物和藻类植物的基因组和表达序列标签
(expressed sequence tags, ESTs)中发现了AAHs家
族的序列 , 它们编码的蛋白具有苯丙氨酸羟化酶
(phenylalanine hydroxylase, PAH)活性, 可对酪氨酸
缺陷型大肠杆菌(Escherichia coli)进行功能互补。其
中, 火炬松(Pinus taeda)和小立碗藓(Physcomitrella
patens)的AAHs并不以四氢蝶呤为辅酶 , 而以10-
CHO-THF作为辅酶发挥电子供体的作用, 完成苯丙
氨酸 (phenylalanine, Phe)羟化为酪氨酸 (tyrosine,
Tyr)的过程。植物中10-CHO-THF主要以多谷氨酸尾
的形式存在于叶绿体中。通过比较单谷氨酸尾、三谷
氨酸尾以及五谷氨酸尾形式的10-CHO-THF作为
AAHs辅因子时对酶活性的影响, 发现在火炬松中,
多尾形式的叶酸辅因子存在时AAHs的活性约为单尾
形式的叶酸辅因子存在时AAHs活性的2倍; 而在小
立碗藓中, 该酶的活性则不随辅因子的谷氨酸尾长度
的变化而变化。这是迄今为止所发现的叶酸具有电子
供体功能的文献报道。该研究同时也揭示了叶酸代谢
与芳香族氨基酸代谢之间的联系。
2.3 天线色素
光影响着自然界中多种生物的生长发育。近紫外区光
线(320–400 nm)和蓝光(400–500 nm)会诱导细菌、
真菌和植物发生多种生物学响应。在植物体中, 已知
由蓝光介导的响应包括植物的向光性、去黄化反应、
气孔张开和一些特定基因的表达等(Short and Brig-
gs, 1990; Kaufman, 1993; 高苏娟等, 2009)。然而,
有些波长范围的光也会给生物体带来不利影响。例如,
紫外线会对生物体DNA造成2类结构性损伤: (1) 形
成环丁烷嘧啶二聚体(Pyr<>Pyr); (2) 形成嘧啶-嘧啶
酮(6-4)光产物(Pyr [6-4] Pyr)。这2类DNA损伤可被序
列具高度相似性的光裂合酶 (photolyase)所修复
(Sancar, 2003)。光裂合酶是一种感受蓝光的DNA修
复酶, 根据所催化的底物不同, 该酶被分为环丁烷嘧
啶二聚体光裂合酶 (cyclobutane pyrimidine dimer
photolyase, CPD photolyase)和(6-4)光裂合酶((6-4)
photolyase)(Lin and Todo, 2005)。光裂合酶是由
450–550个氨基酸组成的单体蛋白, 它含有2个非共
价结合的发色团辅酶, 其一是黄素腺嘌呤二核苷酸
(FAD), 其二是 5,10-次甲基四氢叶酸 (5,10-CH=
THF)或8-羟基脱氮核黄素(8-HDF)。其中, FAD是核心
辅酶 , 负责特异性结合受损DNA并起催化作用。
5,10-CH=THF和8-HDF对酶活性并非必需, 但由于它
们在近紫外区和蓝光区域比2个电子还原的FADH–(活
化形式)的淬灭系数低, 因而负责吸收太阳光中>90%
的起光复活作用的光子能量(Park et al., 1995)。依赖
于叶酸的光裂合酶中真正起光能捕获天线色素(light-
harvesting antenna pigment)作用的是叶酸分子中的
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蝶呤环, 5,10-CH=THF的“次甲基桥”在近紫外区的
吸收峰为360 nm, 但由于次甲基基团上的正电荷与
脱辅基酶之间存在极性相互作用且蝶呤环在结合口袋
中有疏水作用, 使得叶酸类光裂合酶的最大吸收峰红
移至377–415 nm。叶酸辅酶将其吸收的光能量传递
给核黄素以起始电子传递并发生光还原反应, 达到修
复损伤DNA的目的(Malhotra et al., 1994)。
除了光裂合酶外, 人们后来又发现了一种蛋白质
的叶酸辅酶也能发挥天线色素的作用。Malhotra等
(1995)在拟南芥(Arabidopsis thaliana)和白芥子(Sin-
apis alba)中发现了与光裂合酶具有高度序列同源性
却不具有DNA修复活性的蛋白。近十几年来, 人们在
植物、动物以及一些细菌中也陆续发现了此类蛋白,
它们被称为隐花色素(cryptochrome, cry), 也是一类
蓝光受体(blue-light-sensing photoreceptors)。隐花
色素在植物体中调控一些蓝光响应, 如生长和发育
(Cashmore et al., 1999)等。在动物体中, 隐花色素则
起到将动物的生理节律与自然界的光周期同步化的
作用, 对包括人类和鼠类在内的许多动物的生物钟
(circadian clock)形成产生影响(Sancar et al., 2000;
Kavakli and Sancar, 2002)。植物隐花色素cry1和
cry2含有叶酸和FAD两种辅酶, 在蓝光作用下FAD执
行光还原功能, 而植物隐花色素的叶酸辅因子的功能
尚知之甚少。直到近年来有人发现, 光依赖型cry2降
解的作用光谱在380 nm处具有显著的活性峰, 与蝶
呤环的吸收峰一致; 并且在昆虫活体细胞中表达的
cry1蛋白在380 nm光下具有更高的敏感度。当向昆虫
细胞培养环境中添加蝶呤生物合成抑制剂2,4-二氨基
-6-羟氨基-嘧啶(DAHP)时, cry1在380 nm处的活性明
显降低, 证明了植物隐花色素辅酶中, 蝶呤及叶酸衍
生物在近紫外波长区域中具有光能捕获天线色素的
功能(Hoang et al., 2008)。
2.4 参与叶绿素的合成
叶绿素的生物合成是植物体内自然存在的主要合成
代谢途径之一。Van Wilder等(2009)通过分析镁原卟
啉IX甲基转移酶的活性探讨了叶绿素生物合成与叶
酸之间的联系。镁原卟啉 IX甲基转移酶(Mg-proto-
porphyrin IX methyltransferase, CHLM)是催化叶绿
素合成的一个关键酶, 该酶负责将SAM提供的甲基
基团转移给镁原卟啉 IX, 生成镁原卟啉 IX甲基酯
(Mg-protoporphyrin IX methyl ester), 之后进入下游
的叶绿素合成。Webb和Smith(2009)采用黄化的豌豆
(Pisum sativum)叶片为实验材料, 该黄化叶片在光
照条件下会快速合成新的叶绿素。当用叶酸合成代谢
途径中二氢叶酸还原酶 (dihydrofolate reductase,
DHFR)的抑制剂氨甲蝶呤(methotrexate, MTX)处理
豌豆黄化叶片时, 发现叶绿素的合成速率下降(图2);
光照24小时后, 黄化叶片中叶绿素的含量比未处理
的黄化叶片低2.5倍。其原因是, 虽然处理的叶片叶酸
总量下降了30%–40%(从4.2 nmol·g–1FW下降到2.7
nmol·g–1FW), 但其中的甲基四氢叶酸(methyl tetra-
hydrofolate, CH3-THF)含量却下降了4倍。此外, 其下
降伴随着同型半胱氨酸(homocysteine, Hcy)和S-腺
苷同型半胱氨酸(S-adenosylhomocysteine, SAH)含
量的急剧升高, 致使甲基化指数(SAM和SAH浓度之
比)从7降为1, 从而使CHLM的活性下降3倍, 最终导
致叶绿素合成速率下降。该研究结果表明, 植物体中
叶酸衍生物的含量和分布状况稍有变动, 就可能会对
整个植物的甲基循环和叶绿素合成产生影响。
2.5 参与抗氧化胁迫
6-羟甲基-7,8-二氢蝶呤焦磷酸激酶/7,8-二氢蝶酸合
酶(6-hydroxymethyl-7,8-dihydropterin pyrophospho-
kinase/7,8-dihydropteroate synthase, mitHPPK/DH-
PS)是叶酸合成代谢途径中的关键酶, 负责催化THF
生物合成的前2个连续步骤, 一般认为该酶定位于线
粒体。在细菌中HPPK/DHPS为2个独立的酶, 而在真
核生物体内, 该酶却往往作为多功能酶复合物的一部
分发挥作用。例如 , 大豆 (Glycine max )体内的
HPPK/DHPS是一种双功能酶(bifunctional enzyme),
而啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)线粒体中则
存在二氢新蝶呤醛缩酶(dihydroneopterin aldolase,
DHNA)/HPPK/DHPS酶复合体(Rébeillé et al., 1997;
Güldener et al., 2004)。拟南芥基因组中还存在另外
一个编码HPPK/DHPS的基因, 由于该基因编码蛋白
的N端缺少可能的信号肽序列, 预示着这是一个细胞
质定位的同工酶(isoenzyme)cytHPPK/DHPS (Storo-
zhenko et al., 2007)。与mitHPPK/DHPS基因不同,
cytHPPK/DHPS只在发育的种子中表达, 且盐胁迫
可诱导幼苗中cytHPPK/DHPS转录水平升高。但是,
盐胁迫并未诱导叶酸生物合成代谢中编码GTPCHI、
李莎等: 叶酸在植物体内功能的研究进展 529


图2 去黄化豌豆幼苗中叶酸、一碳代谢和叶绿素生物合成之间的关系(引自Webb and Smith, 2009, 稍有改动)
用氨甲蝶呤处理黄化豌豆幼苗会抑制二氢叶酸还原酶的活性, 导致细胞中甲基四氢叶酸的浓度下降。这反过来降低了细胞中
S-腺苷甲硫氨酸的浓度, 因而伴随着去黄化幼苗中叶绿素产量下降。[CH3+]: 甲基基团

Figure 2 Relationship among folate, C1 metabolism and biosynthesis of chlorophyll in de-etiolating pea seedlings
(modified from Webb and Smith, 2009)
Treatment of etiolated pea seedlings with methotrexate (MTX) inhibits dihydrofolate reductase (DHFR), causing a sub-
sequent reduction in the cellular concentration of methyl tetrahydrofolate (CH3-THF). This, in turn, causes depletion in the
concentration of S-adenosylmethionine (SAM), so there is a concomitant reduction in chlorophyll production during
de-etiolation. [CH3+]: Methyl groups


DHNA (AtFolB1、AtFolB2、AtFolB3)、ADCL、ADCS、
DHFS和DHFR的基因转录水平上调; 同时, 胁迫与
否对拟南芥幼苗体内的叶酸水平并无显著影响。因而,
cytHPPK/DHPS可能在拟南芥幼苗的非生物胁迫响
应中发挥着某种直接或间接作用, 而非通过叶酸含量
的上升起到抗逆作用。然而, cytHPPK/DHPS可能在
种子非生物胁迫耐受中具有重要功能。在添加了
H2O2、甘露醇和NaCl的培养基上, cytHPPK/DHPS功
能缺失突变体种子的萌发率明显低于野生型, 其中
10 mmol·L–1H2O2 对种子萌发率的影响最大。相应突
变体干种子中的5-CH3-THF和5-CHO-THF含量分别
比野生型干种子低11%和33%, 总叶酸含量低11%
(Storozhenko et al., 2007)。这揭示了种子的叶酸含
量与氧化逆境耐受性之间可能存在某种关系。
由于cytHPPK/DHPS在拟南芥雌配子体和种子
发育的初期表达量最高, 且该时期细胞分裂十分活
跃, 因而推测cytHPPK/DHPS提供高水平的叶酸辅
酶以维持DNA的高效合成对植物早期发育是必需的
(Storozhenko et al., 2007)。但是, 高水平叶酸是否一
定能够协助植物耐受环境胁迫仍有待探讨。叶酸是否
具有抗氧化保护功能, 核苷酸合成和DNA修复是否
需要更高水平的叶酸, 以及二氢蝶酸(dihydroptero-

ate)是否在氧化逆境胁迫中发挥作用, 都有待进一步
的研究。
2.6 其它功能
Stakhova等(2000)的研究表明 , 豌豆和大麦(Hord-
eum vulgare)分别在开花之后3天和5天喷施浓度为
25 mg·L–1氧化形式的叶酸(folic acid)可以使种子的
千粒重增加17%–19%, 产量增加26%–29%以上; 同
时可刺激叶酸依赖型氨基酸的合成, 提高种子中总氨
基酸以及游离氨基酸的含量, 进而整体提高豌豆和大
麦的产量和质量。叶酸除了在植物体内具有多种功能
外, 外源添加氧化形式的叶酸还能激发盘基网柄菌
(Dictyostelium discoideum)G蛋白α亚基Gα4介导的
信号转导通路, 从而延迟其子实体(fruit body)前端柄
细胞(prestalk cell)的正常发育(Hadwiger and Srini-
vasan, 1999)。
本课题组在研究拟南芥线粒体定位的叶酰聚谷
氨酸合成酶(AtDFC)的生物学功能时发现, 其T-DNA
插入突变体的叶酸含量明显低于野生型, 同时伴随着
不能够适应低氮环境的表型以及光呼吸代谢的扰动
(未发表资料), 这预示着叶酸可能在植物氮代谢中发
挥着某种重要作用。
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3 问题和展望
叶酸作为一种维生素分子在植物的生命活动中发挥
着至关重要的作用。研究者们对叶酸在植物体内的生
物合成代谢所涉及的生化反应, 催化每一步具体反应
的酶的功能, 以及叶酸在植物体内不同组织器官和亚
细胞器的分布、转运和稳态的维持已有一定程度的了
解(Hanson and Gregory, 2002)。目前已有文献明确
表明, 叶酸合成的调控机制包括翻译后水平和转录水
平的前馈调控(feedforward regulation)及反馈调控
(feedback regulation)(Hanson and Gregory, 2011)。
此外, 近年来, 科学家们对叶酸在植物体内的功能认
识有了新的突破, 不再局限于传统意义上所讲的叶酸
作为一碳基团的载体参与植物一碳基团的转移反应、
甲基循环、核酸及蛋白质的生物合成等过程, 而是拓
展到调控基因表达、提供电子、发挥光能捕获作用和
抵抗非生物胁迫等方面。但是, 关于叶酸在植物体中
的研究仍存在一些尚未解决的问题。
(1) 多尾形式叶酸是否能在亚细胞器间转运。迄
今为止 , 已发现拟南芥体内至少存在AtFOLT1、
At2g32040和AtMRP1三种叶酸转运子, 但它们仅限
于执行单谷氨酸尾形式的叶酸转运功能(Bedhomme
et al., 2005; Klaus et al., 2005; Raichaudhuri et al.,
2009), 尚无证据支持自然界也存在多谷氨酸尾形式
的叶酸转运机制。拟南芥体内存在3个叶酰聚谷氨酸
合成酶(folylpolyglutamate synthetase, FPGS), 它们
分别定位于细胞的叶绿体(FPGS1)、线粒体(FPGS2)
和细胞质(FPGS3), 三者氨基酸序列一致性达41%–
47%, 在进化上具有紧密的亲缘关系, 负责在单谷氨
酸尾形式叶酸的γ-羧基上加谷氨酸残基, 将其转化成
多谷氨酸尾形式的叶酸(Ravanel et al., 2001)。有趣
的是, 在任何一种fpgs单突变体的对应细胞器中仍能
检测到多谷氨酸尾形式的叶酸 (Mehrshahi et al.,
2010), 暗示着多尾形式的叶酸在亚细胞器间可以转
运, 或者同种FPGS蛋白可能定位于一种以上的亚细
胞器。此外, Akhtar等(2010)的研究发现, 当拟南芥细
胞中液泡定位的 γ-谷酰基水解酶 (γ-glutamyl hy-
drolase, GGH)AtGGH1和AtGGH2功能缺失时, 液泡
中会积累大量的多尾形式叶酸。因此, 他们提出一种
模式: 叶酸可能以多尾形式源源不断地被运输到液
泡, 在液泡中积累并由GGH水解其谷氨酸尾巴, 转
化后的单尾形式叶酸再输出液泡。然而, 植物亚细胞
器之间是否真实存在多尾形式叶酸的转运机制以及
上述假设是否成立, 还有待于今后进一步的探究和验
证。
(2) 叶酸在植物细胞中的合成或积累是否存在细
胞类型特异性及叶酸是否能在细胞间和组织间进行
运输。Srivastava等 (2011)的研究发现 , 拟南芥
fpgs1(atdfb)突变体的主根长度明显比野生型短是由
于其根尖静止中心(quiescent center, QC)的细胞结
构异常、生长素分布发生改变及细胞骨架出现“缠绕
捆绑”式结构, 从而导致突变体根尖细胞分裂和扩展
的能力被明显削弱所致。当外源添加浓度为500
μmol·L–1的5-CHO-THF时, 突变体根尖QC细胞结构
恢复正常, 且主根长度也恢复至野生型水平。这暗示
着外源叶酸能够被植物细胞吸收并运输到特定的组
织细胞发挥作用。先前有人发现AtDFB在QC处有强
烈的表达(Nawy et al., 2005)。据此, 研究者们推测,
植物根尖QC细胞可能是叶酸在根部集中合成或积累
的一个部位。这为今后揭示细胞类型特异性叶酸和
FPGS与植物器官发育之间的联系奠定了基础。此外,
Srivastava等(2011)的研究也为未来探讨叶酸代谢和
生长素代谢途径可能存在相互作用, 以及叶酸对细胞
骨架正常形态的维持发挥某种作用提供线索。随着研
究的不断深入, 相信会有越来越多的关于植物体内叶
酸的基本问题被阐明, 这将为人们揭示生命活动的复
杂性奠定坚实的基础。
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Research Advances in the Functions of Plant Folates
Sha Li1, 2 , Ling Jiang2 , Chongying Wang1 , Chunyi Zhang2*
1School of Life Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
2Biotechnology Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
Abstract Folates are water-soluble B-vitamins that contain tetrahydrofolate (THF) and its derivatives. In plants, they are
essential cofactors in C1 metabolism, being involved in the formation of purines and thymidylates for DNA synthesis,
production of amino acids and proteins. They play a central role in the methyl cycle. Novel functions of folates in plants
have been discovered recently. For example, folates regulate gene expression by the riboswitch, work as the electron
donor when phenylalanine is converted to tyrosine, and harvest light as the coenzyme of photolyase and plant crypto-
chrome. Moreover, folate is involved in chlorophyll biosynthesis and oxidative tolerance of seeds, for example. We review
these discoveries and give prospects for plant folate research.
Key words chlorophyll biosynthesis, electron donor, folates, gene expression regulation, light harvest
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533.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: chunyi.zhang@caas.net.cn
(责任编辑: 孙冬花)