全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (1): 1~8　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.0384 1
收稿 2014-08-28　　修定 2014-12-25
资助 国家自然科学基金(31101097)。
* 通讯作者(E-mail: shiyongchun369@gmail.com; Tel: 0371-
63555790)。
植物中抗坏血酸的生物学功能研究进展
石永春1,*, 杨永银1, 薛瑞丽1, 刘巧真2
1河南农业大学生命科学学院, 郑州450002; 2河南农业科学院烟草研究所, 河南许昌461000
摘要: 抗坏血酸是水溶性抗氧化有机小分子, 在植物中广泛存在, 并可作为某些氧化还原酶的辅酶。本文主要综述了抗坏
血酸在植物中的合成、转运和所参与的多种生理作用, 如细胞周期调控、成花诱导、光合结构保护、碳代谢和胁迫响应
等, 并对今后植物中抗坏血酸的相关研究提出展望。
关键词: 抗坏血酸; 生理功能; 细胞周期; 成花诱导; 光合作用
Research Advance of Biological Function of Ascorbic Acid in Plants
SHI Yong-Chun1,*, YANG Yong-Yin1, XUE Rui-Li1, LIU Qiao-Zhen2
1College of Life Sciences, Henan Agricultural Unversity, Zhegnzhou 450002, China; 2Institute of Tobacco Research, Henan Acad-
emy of Agricultural Science, Xuchang, Henan 461000, China
Abstract: Ascorbic acid (AsA) is a widespread potent water-soluble antioxidant in plants, and acts as co-factor
of some reductase. This review focused on the biosynthesis, transportation and plant physiological functions of
ascorbic acid in plants, such as cell cycle regulation, floral induction, photo-protection, carbon metabolism and
stress response et al., and provided prospect for future research.
Key words: ascorbic acid; physiological function; cell cycle; floral induction; photosynthesis
综　述 Reviews
抗坏血酸(ascorbic acid, AsA)也称维生素C,
是植物中广泛存在的一种水溶性抗氧化有机小分
子。随着抗坏血酸在医疗方面的价值得到重新确
认, 如增强颈动脉小球的抗缺氧能力(Del Rio等
2010)、治疗哮喘(Misso等2005)、抗肿瘤(Fritz等
2014)), 植物中AsA的含量控制(合成和降解)及其
在植物中的生理功能也受到再次关注。一直以来,
人们认为AsA在植物中的功能主要是清除细胞内
的氧化物和超氧化物, 或作为某些还原酶的辅因
子参与还原反应。但最新研究表明, AsA参与植物
的衰老调控(Fotopoulos和Kanellis 2013)、光合结
构保护(Toth等2013)、糖代谢(Garchery等2013)、
成花诱导(Barth等2006)和胁迫响应等多种生理调
控过程 , 并为植物中的离子转运机制(Grillet等
2014)和胁迫耐受性研究提供了新的视角。本文即
对相关内容做一综述。
1 抗坏血酸的合成和降解
1.1 抗坏血酸的合成
植物体内有5条AsA合成途径(图1) (Ishikawa
和Shigeoka 2008)。分别是L-半乳糖途径、古洛糖
途径、D-半乳糖醛酸酯途径、依赖肌醇的合成途
径和补救途径。其中, L-半乳糖途径最先被发现
(Wheeler等1998), 大致途径如下: D-葡萄糖转化为
GDP-D-甘露糖, 在GDP-甘露糖-3,5-差向异构酶
(GDP-mannose-3’,5’-epimerase, GME)的催化下生
成GDP-L-半乳糖, 而后转化为L-半乳糖酸-1,4-内
酯(L-galactono-1,4-lactone, GalL), 最后在L-半乳糖
酸-1,4-内酯脱氢酶(GalL dehydrogenase, GalLDH)
的催化下生成AsA (Cruz-Rus等2011)。古洛糖途径
由GDP-L-古洛糖起始, 经由L-古洛糖酸-1,4-内酯
生成AsA。D-半乳糖醛酸酯途径在草莓中被发现
(Agius等2003), D-半乳糖醛酸酯经D-半乳糖醛酸
酯还原酶还原产生L-半乳糖酸, 经醛内酯酶催化生
成L-半乳糖酸-1,4-内酯合成AsA。随后在拟南芥
中又发现了依赖肌醇的合成途径(Lorence等2004)。
L-半乳糖途径是植物合成AsA的主要途径
(Wheeler等1998), 通过RNAi技术抑制番茄中的
GalLDH, 导致添加25 mmol·L-1 L-GalL后, 转基因
植物生理学报2
图1 植物中的AsA合成途径
Fig.1 Biosynthetic pathway of ascorbic acid in plants
虚线框里是L-半乳糖途径, 括号里是相对应的拟南芥突变株(VTC)。1: GDP-D-甘露糖焦磷酸化酶; 2: GDP-甘露糖-3,5-差向异构酶;
3: GDP-L-半乳糖磷酸化酶; 4: L-半乳糖-1-磷酸酯酶; 5: L-半乳糖脱氢酶; 6: L-半乳糖酸-1,4-内酯脱氢酶; 7: UDP-葡糖醛酸-4-差向异构酶;
8: UDP-半乳糖焦磷酸化酶; 9: D-半乳糖醛酸-1-磷酸酯酶; 10: D-半乳糖醛酸酯还原酶; 11: 醛内酯酶; 12: 肌醇氧化酶; 13: D-葡糖醛酸还原
酶; 14: L-古洛糖内酯脱氢酶; 15: 抗坏血酸氧化酶; 16: 单脱氢抗坏血酸还原酶; 17: 脱氢抗坏血酸还原酶; 18: 谷胱甘肽还原酶。本图参考
Ishikawa和Shigeoka (2008)一文修改。
植株中AsA的合成显著降低(Alhagdow等2007); 敲
除半乳糖途径的关键酶GME, 也导致番茄叶和果
实中AsA含量显著降低(Gilbert等2009)。通过基因
敲除或插入突变技术, 在拟南芥中也获得了一批
AsA缺乏(deficient)突变体, 并被广泛用于AsA的功
能研究。其中VTC1基因编码GDP-D-甘露糖焦磷
酸化酶(GDP-D-mannose pyrophosphorylase, GMPase)
(Conklin等1999); VTC2和VTC5基因编码GDP-L-半
乳糖磷酸化酶; VTC4编码L-半乳糖-1-磷酸酯酶
(Laing等2004); 这些突变株中AsA的含量仅相当于
野生型的20%~50% (Conklin 2001)。
补救途径(Yin等2010)是指被氧化的AsA, 也
即脱氢抗坏血酸(dehydroascorbate, DHA)或单脱氢
抗坏血酸(monodehydroascorbate, MDHA), 在DHA
还原酶(DHA reductase, DHAR)或MDHA还原酶
(MDHA reductase, MDHAR)的催化下, 重新还原为
AsA。补救途径也参与AsA水平的调节(Yin等
2010), 并和其他AsA合成途径一起, 在植物对逆境
的响应和适应中发挥重要作用(Stevens等2008)。
与植物中具有多条AsA合成途径不同, 动物
中仅有一条AsA合成途径, 也即古洛糖途径(Bán-
hegyi等1997)。由尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)开始,
经由UDP葡萄糖酸、D-葡萄糖醛酸酯、L-古洛
酸、古洛糖酸-1,4-内酯, 最后合成抗坏血酸。古洛
糖酸内酯脱氢酶催化最后一步反应, 由于基因突
变, 在人、几内亚猪和多种动物中缺乏该酶(Linster
和Van Schaftingen 2007)。这可能是动物需要大量
从植物中摄取抗坏血酸的主要原因。
1.2 抗坏血酸的降解
目前有关AsA降解的研究不多。已发现在大
多数植物中, AsA在C2和C3之间断裂, 生成草酸
(C1-C2)和L-苏阿糖酸(C3-C6)(Davey等2000;
Green和Fry 2005a)。但在葡萄中, AsA还可在C4和
C5之间断裂, 由C1-C4生成苏阿糖酸, 苏阿糖酸进
一步氧化形成酒石酸(DeBolt等2004)。从AsA到苏
阿糖酸的降解过程在细胞内外均可发生, 用Rosa
悬浮细胞研究发现, 胞外AsA氧化为DHA后(图2,
步骤1), 在DHA氧化酶的催化下生成环化草酰二
石永春等: 植物中抗坏血酸的生物学功能研究进展 3
酯L-苏阿糖酸(图2, 步骤2和3), 而后由草酰酯酶催
化生成4-O-草酰-L-苏阿糖酸(图2, 步骤4), 再经非
酶促反应生成苏阿糖和草酸(图2, 步骤5) (Green和
Fry 2005b)。
值得注意的是, AsA的降解途径产生5个H2O2
(图2, 步骤1、2、6和7)。降解途径第一步通过非
酶促反应(AH2+O2→A+H2O2)生成H2O2; 第二步通
过氧化酶催化产生H2O2; 第六步在草酸氧化酶的
催化下生成H2O2; 还有2个H2O2在苏阿糖酸生成苏
阿糖的过程中出现, 可能通过未知氧化酶的催化
产生(Green和Fry 2005b)。AsA胞外降解产生的
H2O2, 通过芬顿反应生成羟自由基(OH·
-), 再经由
非酶促反应裂解细胞壁中的果胶和纤维素, 从而
有助于促进细胞膨大或果实软化(Fry 1998)。这一
发现印证了AsA不仅可以作为抗氧化物, 在某种条
件下, 还可以作为前氧化物(pro-oxidant)的观点
(Podmore等1998)。
2 抗坏血酸的转运
AsA主要在源叶(source leaf)中合成, 并经过
韧皮部运输至库组织(Franceschi和Tarlyn 2002)。
根中也可以合成AsA (Liso等2004), 将14C标记的
AsA处理杨树成熟叶片后, 发现14C AsA主要出现
在根尖中; 切断韧皮部则导致杨树根尖里AsA含量
显著下降, 证明源叶合成的AsA经韧皮部转运对于
维持杨树根中的AsA含量起到关键作用 (Her-
schbach等2010), 也说明源叶是根和其他库组织中
AsA的主要来源。在半乳糖途径中, GalLDH催化
合成AsA的最后一步反应 , 且定位于线粒体内
(Wheeler等1998)。但植物的细胞质、叶绿体和胞
外环境中都含有AsA, 且浓度达到毫克级(Foyer和
Lelandais 1996), 意味着植物中存在高效的AsA跨
膜和长距离转运系统。
目前对植物中的AsA转运系统知之甚少(Pig-
nocchi等2006)。通过对基因组数据库的筛选, 在
拟南芥中发现12个编码膜蛋白的基因与碱基/抗坏
血酸转运体(nucleobase/ascorbate transporter, NAT)
同源, 并与哺乳动物中的2个依赖钠的抗坏血酸转
运体(sodium-dependent vitamin C transporter,
SVCT1和SVCT2)相似(Maurino等2006)。AtNAT的
双突变体(nat1nat2、nat4nat9、nat4nat10和nat-
9nat10)甚至三缺失突变体(nat1nat2nat3)都未见表
型变化, 表明NAT功能在植物中高度冗余(Maurino
等2006)。
也有报道指出, NAT并不负责AsA的转运。迄
今为止, NAT家族中仅少数成员的功能较清楚。构
巢曲霉(Aspergillus nidulans)中的2个NAT (UapA和
UapC)只转运黄嘌呤、尿酸和少量其他嘌呤, 抗坏
血酸仅结合但不转运(Diallinas等1995)。事实上,
植物中仅鉴定一个玉米的NAT, 且和曲霉中的
UapA和UapC一样, 负责转运黄嘌呤和尿酸(Argy-
rou等2001)。因此, 植物中负责AsA转运的载体还
有待深入研究。
AsA向胞外的转运对植物还有其他意义。铁
是植物生长所必须的营养元素之一, 但双子叶植
物仅转运亚铁离子。因此, 三价铁还原为二价铁
是双子叶植物吸收铁的必经途径。在豌豆(Pisum
图2 AsA的胞外降解途径
Fig.2 Apoplastic degradation pathway of ascorbic acid
1: 抗坏血酸氧化酶或非酶促反应等; 2: DHA氧化酶; 3: 未知酶; 4和5: 草酰酯酶; 6和7为非酶促反应; 8: DHA氧化酶。本图参考Green
和Fry (2005b)一文修改。
植物生理学报4
sativum)胚中发现, 三价铁的还原并非由质膜上结
合的三价铁还原酶催化 , 而是依赖细胞外流的
AsA; 而AsA介导的还原反应是离体胚吸收55Fe的
必须步骤(Grillet等2014)。此外, 在拟南芥突变体
vtc2-4和vtc5-1中, 铁含量也都显著低于野生型植
株(Grillet等2014)。证明AsA外流还具有促进铁离
子吸收的功能。
已发现植物细胞优先吸收A s A的氧化形
式——DHA (Horemans等2003); 植物中DHA的转
运被认为和动物细胞一样, 经由膜上的葡萄糖转
运体或己糖转运体(Szarka等2004)。近年研究发
现, 植物中吸收DHA和葡萄糖的载体性质不同, 如
细胞松弛素B, 根皮素和染料木黄酮显著抑制DHA
的吸收, 但对葡萄糖的吸收影响不大(Horemans等
2008)。意味着植物中DHA和葡萄糖分别经由不
同的载体, 但具体基因尚未得到分离鉴定。
3 抗坏血酸的功能
3.1 促进细胞分裂
在玉米根尖和烟草悬浮培养细胞(BY-2)中,
AsA的含量和细胞增值率之间呈正相关, 高含量的
DHA阻止细胞从G1期向S期的转变, 而高含量的
AsA能加速分裂(Kerk和Feldman 1995)。对烟草
BY-2细胞添加外源DHA, 虽然影响G1期向S期转
变, 但内源DHA含量并没有受到影响, 而AsA含量
增加, 表明DHA在细胞内被还原(Potters等2000)。
有趣的是, 缺乏GSH的烟草BY-2细胞依然可以摄
取并还原外源DHA; 用1 mmol·L-1 GSH和DHA同
时处理BY-2细胞, 并不能阻止外源DHA对细胞分
裂的抑制; 证明生物体内除了GSH驱动的DHA还
原外, 还有不依赖GSH的DHA还原, 它们共同且独
立作用影响细胞分裂(Potters等2004)。
3.2 影响细胞壁合成
AsA在内质网内催化产生细胞膨大和分裂所
必需的富含羟脯氨酸的糖蛋白(Kärkönen和Fry
2006)。ASA还参与了苯氧自由基介导的细胞壁成
分的交联, 从而导致细胞壁固化(Smirnoff 2000)。
逆境条件下, GME调节ASA合成和细胞壁单糖合
成之间的平衡。GME可能同分子伴侣Hsp70互作
以增加酶活性, 和(或)更倾向于催化GDP-L-古洛糖
的合成, 因为GDP-L-古洛糖只用于合成AsA以响
应环境胁迫, 而GDP-L-半乳糖除了用于合成AsA
外, 还用于合成细胞壁单糖(Wolucka和Van Mon-
tagu 2003)。Gilbert等(2009)发现P35S:SlgmeRNAi的
番茄茎和果实的细胞壁中甘露糖含量升高, 半乳
糖含量降低 , 鼠李糖和糠醛酸含量在果实中增
加。结合P35S:SlgmeRNAi的番茄中AsA含量被有效
降低这样的事实, Gilbert等(2009)认为AsA和非纤
维化细胞壁多糖的合成之间密切相关。
3.3 保护光合作用和影响碳代谢
AsA不仅能作为电子供体维持光合作用, 还
在保护光合器官方面起到重要作用(Ivanov 2014)。
叶黄素循环是光保护(photoprotection)机制的重要
组成部分, 其组分紫黄质去环氧酶(violaxanthin
de-epoxidase, VDE)通过消耗AsA催化紫黄质生成
玉米黄质 , 从而将过剩光能以非光化学淬灭
(non-photochemical quenching, NPQ)的叶绿素荧光
释放, 保护光合器官(Bratt等1995)。降低AsA含量
影响拟南芥中的VDE的活性, 并导致叶片中NPQ
水平降低(Müller-Moulé等2002)和活性氧的增加
(Foyer和Noctor 2003), 从而降低光合保护能力。
环化电子传递(cyclic electron transport, CET)在植
物光保护机制中起到重要作用, 而NAD(P)H脱氢
酶复合物是维持CET运转的主要组分(Kouřil等
2014)。抗坏血酸缺乏导致类囊体中NAD(P)H脱氢
酶表达水平降低(Queval和Foyer 2012), 从而干扰
植物中的光合保护能力。定位于叶绿体基质或类
囊体膜的抗坏血酸过氧化物酶能利用AsA作为电
子受体还原H2O2; 但在AsA缺乏条件下钝化, 并影
响光合速率(Ishikawa和Shigeoka 2008)。
植物体内的碳分配受环境和发育过程影响
(Hermans等2006)。正常条件下, AsA缺乏突变体
vtc-1和vtc-2的CO2同化率与野生型相近(Pastori等
2003), 但在逆境胁迫下, vtc突变株中叶黄素循环和
CO2同化率都降低(Müller-Moulé等2002)。抑制番
茄中SlGalLDH的表达, P35S:Slgalldh
RNAi转化株生长
缓慢, 叶片中TCA循环也被明显抑制, 多数中间代
谢物的含量显著降低(Alhagdow等2007)。通过
RNAi技术抑制番茄中的AO活性, 导致叶片和果实
中AsA含量和糖含量的增加, 并促进了糖从源叶向
库组织的转运(Garchery等2013)。虽然已发现AO
作为多种信号途径的载体(De Tullio等2013), 而糖
不仅是碳同化的产物, 也作为信号分子(蔗糖和葡
石永春等: 植物中抗坏血酸的生物学功能研究进展 5
萄糖) (Zhou等2008)响应多种环境胁迫, 但AsA与
碳代谢之间的crosstalking还有待深入探讨。
3.4 提高抗逆性
植物中的AsA含量与抗逆性呈正相关, 提高
AsA含量或促进氧化态AsA的还原都能提高植物
的抗逆性(Gallie 2013)。拟南芥vtc-1突变株中的
AsA含量只有野生型的30%, 对臭氧非常敏感(Vel-
jovic-Jovanovic等2001), 且在盐胁迫下H2O2积累则
明显高于野生型(Huang等2005)。过表达AO的转
基因烟草的AsA含量低于野生型, 盐胁迫下细胞内
外的H2O2积累较野生型高(Yamamoto等2005)。在
水培萝卜的培养液中添加AsA合成的底物GalL, 有
效增加了萝卜对臭氧的抗性(Maddison等2002)。
在大麦中也检测到相似的结果(Mächler等1995)。
盐和臭氧等多种非生物胁迫都导致植物中的H2O2
积累(Mittler 2002), 而提高AsA含量或促进氧化态
AsA的还原, 都能使细胞内的AsA含量维持较高水
平, 从而通过酶促(抗坏血酸过氧化物酶等)或非酶
促途径有效清除胁迫产生的H2O2, 这可能是AsA提
高植物抗逆性的重要原因之一。
3.5 影响开花时间和衰老
开花是植物从营养生长向生殖生长转变的关
键事件。拟南芥中存在4条途径调控开花: 春化途
径、自主途径、赤霉素途径和光周期途径(Boss等
2004)。近年发现AsA也参与开花时间调控。
叶面喷施AsA合成的前体L-半乳糖增加植物
体内的AsA含量, 延迟开花(Wheeler等1998)。拟南
芥AsA缺乏突变体在长日条件下都较野生型提前
开花, 且所有已知的开花途径(包括光周期途径、
自主途径和赤霉素途径)的基因都出现表达差异,
并与观察到的开花表型相符(Kotchoni等2009)。但
用vtc1-1与光周期途径晚花突变体gi-1、co-2、ft-1
和自主途径晚花突变体fca-1杂交产生的双突变体
vtc1-1gi-1、vtc1-1co-2、vtc1-1ft-1和vtc1-1fca-1, 同
vtc-1相比, 双突变体开花较晚, 表明gi-1、co-2、ft-1
和fca-1对于vtc1具有上位性(epistatic) (Kotchoni等
2009)。已发现拟南芥vtc1-1中的ABA含量高于野
生型(Barth等2004), 在烟草中过表达抗坏血酸氧化
酶降低AsA含量, 也导致ABA含量增加(Fotopoulos
等2008), 这是否与AsA对开花时间的影响有关, 还
有待进一步研究(Barth等2004; Pastori等2003)。
开花是衰老的表现之一, 而衰老的拟南芥中
具有高含量的水杨酸(salicylic acid, SA) (Morris等
2000)。Barth等(2004)研究发现拟南芥vtc-1突变株
中衰老相关基因SAG13、SAG15和SAG27的表达
明显上调, 且具有较高SA含量。已知降低AsA水
平增加植物中的ABA含量(Pignocchi等2006),
SAG27受SA诱导(Quirino等1999), 而SAG15和
SAG13分别受ABA和乙烯诱导(Nakashima等1997;
Weaver等1998)。这些结果表明vtc-1通过诱导
ABA、SA和乙烯等含量的升高, 进而促进SAG表
达的上调, 导致衰老(Barth等2004)。但在黑暗条件
下, AsA不足植株的衰老速度却慢于野生型(Fo-
topoulos和Kanellis 2013)。在烟草中过表达抗坏血
酸氧化酶, 导致转基因植株中的AsA含量低于野生
型, H2O2含量高于野生型; 但在暗条件下衰老的速
度较野生型延迟。认为可能是低水平的AsA诱导
植物产生了较高的H2O2耐受性, 从而比野生型烟
草具有更好的暗适应性(Fotopoulos和Kanellis
2013)。这也说明AsA在复杂的衰老信号途径中的
具体作用仍有待深入研究。
3.6 影响植物发育
AsA含量变化影响果实发育。抑制番茄中
GalLDH的表达, P35S:Slgalldh
RNAi转化株出现AsA含
量降低、植株矮化、生长缓慢、果实变小等特征
(Alhagdow等2007)。沉默番茄中的GME, 发现
P35S:SlgmeRNAi转化株具有AsA含量降低、幼苗生
长减慢、茎脆弱和果实发软等表型, 补充外源AsA
不能改变这些现象。推测抑制GME造成的生长障
碍不仅和AsA含量降低有关, 还可能与细胞壁多糖
成份的改变有关(Gilbert等2009)。而降低番茄中
的抗坏血酸氧化酶活性, 增加叶片中AsA的含量,
促进了蔗糖从源叶向库组织的转运, 从而提高转
化株番茄果实的直径和产量(Garchery等2013)。这
种AsA含量与番茄果实产量呈正相关的现象, 可能
与AsA能维持光合作用和呼吸作用有关(Nunes-Ne-
si等2008)。
AsA含量还影响植物体细胞胚的诱导分化过
程(Becker等2014)。拟南芥突变体vtc2-5中的抗坏
血酸含量仅有野生型的30%, 但诱导出的体细胞胚
的数量和细胞分裂速度大约是野生型材料的6倍;
分析转录组数据发现, 抗坏血酸不足改变了基因
植物生理学报6
网络调控方式, 促进了愈伤组织对IAA产生积极响
应, 导致每个外植体所产生胚的数量增加(Becker
等2014)。可见AsA在植物发育的不同组织和不同
阶段, 所执行的生理或分子功能也有差别。
4 展望
综上所述, AsA在植物生长发育过程中的作用
已远远超出通常所理解的“抗氧化”范畴, 不仅涵盖
碳代谢、细胞分裂和生长、植物开花调控、逆境
响应和离子吸收等生理功能, 还影响植物的氮代
谢(Balestrini等2012; Barth等2010), 并与DNA的去
甲基化(Dickson等2013; Minor等2013)有关。但其
中仍有许多问题有待深入研究: (1)植物中AsA的
外流和DHA的吸收转运体究竟是什么？(2)胞外
AsA是否还影响其他离子的吸收或转运？(3) AsA
含量的差异如何影响植物对IAA的响应？(4)植物
如何通过AsA含量波动响应外界胁迫并调控基因
表达？与动物中仅存的一条抗坏血酸合成途径相
比, 植物中多条复杂的AsA合成途径暗示了AsA对
植物生长的重要性, 也意味着植物中抗坏血酸的
功能还有待更深入的研究和发现。
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