全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2013, 49 (11): 1155~1159 1155
收稿 2013-07-16　　修定 2013-08-09
资助 973计划前期研究专项(2012CB722204)和新疆生物资源基
因工程重点实验室开放课题(XJDX0201-2012-05)。
* 通讯作者(E-mail: zfcxju@gmail.com)。
植物磷酸乙醇胺N-甲基转移酶的研究进展
常丹, 张霞, 张富春∗
新疆大学生命科学与技术学院, 新疆生物资源基因工程重点实验室, 乌鲁木齐830046
摘要: 甘氨酸甜菜碱是一种渗透调节物质, 能够维持高盐浓度下细胞的渗透平衡和膜的有序性, 并有效地稳定酶的结构; 胆
碱是甘氨酸甜菜碱生物合成的必要前体物质, 而磷酸乙醇胺甲基转移酶(phosphoethanolamine N-methyltransferase,
PEAMT)作为甲基转移酶, 是催化磷酸乙醇胺三次甲基化生成胆碱的限速酶。近年来研究表明磷酸乙醇胺甲基转移酶
不仅在植物生长发育过程发挥作用, 而且通过参与渗调物质甜菜碱以及胁迫相关第二信使磷脂酸的合成从而使植物
对盐胁迫产生应答反应。本文就植物磷酸乙醇胺甲基转移酶的反应作用机理、生物学功能及表达调控机制进行了归纳
总结。
关键词: 甘氨酸甜菜碱; 磷酸乙醇胺N-甲基转移酶; 反应机理; 生物学功能; 调控机制
Research Advances on Phosphoethanolamine N-Methyltransferase in Plant
CHANG Dan, ZHANG Xia, ZHANG Fu-Chun∗
Xinjiang Key Laboratory of Biological Resources and Genetic Engineering, College of Life Science and Technology, Xinjiang
University, Urumqi 830046, China
Abstract: Glycine betaine, known as an osmoprotectant, maintains cellular osmotic balance, keeps cell
membrane integrity, and stabilizes the enzyme structure. Choline is the precursor necessary for the biosynthesis
of glycine betaine. And phosphoethanolamine N-methyltransferase (PEAMT) functions as a rate-limiting
enzyme for choline production, which methylates three ethanolamine phosphate as a methyl transferase
enzyme. Recent studies have shown that PEAMT not only plays a certain role in plant growth and development,
but also participates in the synthesis of osmo-regulation substance such as glycine betaine, and stress-associated
second messenger such as phosphatidic acid under abiotic stress condition. In this paper, the reaction
mechanism, biological function, and regulatory mechanisms of phosphoethanolamine methyltransferase in plant
were summarized and discussed.
Key words: glycine betaine; phosphoethanolamine N-methyltransferase; reaction mechanisms; biological
function; regulation mechanisms
磷酸乙醇胺甲基转移酶(phosphoethanola-
mine N-methyltransferase, PEAMT) 是一种甲基
转移酶, 全名为S-腺苷甲硫氨酸:磷酸乙醇胺甲基
转移酶 , 其主要功能是催化磷酸乙醇胺 (phos-
phoethanolamine, P-EA)三次甲基化生成磷酸胆
碱(phosphocholine, P-Cho)。P-Cho为植物生长发
育的重要代谢物, 是植物细胞膜主要脂质组分卵
磷脂生物合成的前体, 约占总膜脂的60% (Hitz等
1981)。此外, P-Cho在磷酸胆碱磷酸酶的水解作
用下可生成胆碱(choline, Cho)和磷脂酸(phos-
phatidic acid, PA)。一方面, Cho在一些植物叶绿
体基质中可通过胆碱单加氧酶(choline monooxy-
genase, CMO)和甜菜碱脱氢酶(betaine-aldehyde
dehydrogenase, BADH)两步氧化催化最终生成渗
透调节物质甘氨酸甜菜碱(glycine betaine, GlyBet);
另一方面, PA在胁迫响应时作为第二信使也发挥
着一定作用。本文就植物PEAMT反应机理、生
物学功能以及调控机制做一归纳总结。
1 植物细胞内PEAMT的反应作用机理
高等植物中可能存在两种不同的Cho合成途
径: 一种是在藜科植物例如菠菜(Spinacia oleracea)
和甜菜(Beta vulgari)中, 在PEAMT的催化下通过
P-EA直接生成P-Cho, 后者在磷酸胆碱磷酸酶的催
化下生成Cho, 即PEAMT催化途径; 另一种为磷脂
酸甲基转移酶(phospholipid N-methyltransferase,
PLMT) 催化途径: 在禾本科植物例如大麦和小麦
植物生理学报1156
中, Cho由PLMT催化合成磷脂酸胆碱(phosphatidy-
lcholine, Ptd-Cho), 后者经过一系列水解反应最终
生成Cho (图1)。
PEAMT是细胞质中的亲水性单体酶, 含有2
个S-腺苷-L-蛋氨酸(S-adenosyl-L-methionine,
SAM)依赖的甲基转移酶结构域, 而每个结构域又
含有4个基序 , 这4个基序起主要的催化作用
(BeGora等2010; Pessi等2004)。PEAMT主要功能
是催化P-EA三次甲基化, 最终合成P-Cho。在烟草
(Nicotiana tabacum)中, 乙醇胺(ethanolamine, EA)
的第一次甲基化只发生在底物的磷酸基(phospho-
bases, P-bases)水平; 第二次和第三次甲基化则大
部分发生在P-bases水平上, 其甲基化程度分别为
83%~92%和65%~85%, 而其余的甲基化则发生在
磷脂酰基(phosphatidyl bases, Ptd-bases)水平上
(McNeil等2000)。其中, 第一步甲基化被认为是整
个合成途径的主要调控点(Jost等2009; Keogh等
2009; McNeil等2001)。与PEAMT不同, PLMT催化
底物主要为磷脂酰一甲基乙醇胺(phatidyl-mono-
methylethanolamine, Ptd-MMEtn)和磷脂酰二甲基
乙醇胺(phatidyl-dimethylethanolamine, Ptd-DMEtn)
合成Ptd-Cho, PLMT不参与磷脂酰乙醇胺(phatidyl-
ethanolamine, Ptd-Etn)的第一步甲基化反应(图1)。
研究表明将PLMT基因沉默后, 无论是否在盐胁迫
下, 拟南芥(Arabidopsis thaliana)中Ptd-Cho含量都
无明显变化, 原因可能是依赖于PLMT途径催化的
Cho合成途径具有种属差异性(Keogh等2009)。此
外, 由于P-EA甲基化为磷酸一甲基乙醇胺的反应
被认为是整个合成途径的主要调控点(Jost等2009;
Keogh等2009; McNeil等2001), 因此, 近年来对如
何提高内源Cho的含量主要集中在PEAMT催化途
径上, 而对于植物体内Cho的具体合成途径仍需进
一步的探究。
2 PEAMT通过参与脂类物质的合成从而介导植
物的生长发育
PEAMT在植物正常生长发育中发挥一定作
用。拟南芥peamt突变体xipotl的P-Cho合成受到
抑制, 突变体的主根变短, 根毛明显减少, 根表皮
细胞出现明显的异常甚至死亡; 突变体植株在添
加Ptd-Cho的培养基中则可基本恢复为野生型性
状, 表明PEAMT基因在有关根系统发育和维持外
胚层细胞完整性的磷脂新陈代谢中起决定性的作
用(Cruz-Ramírez等2004; Alatorre-Cobos 等2012)。
另一方面, 通过正义/反义RNA技术, Mou等(2002)
筛选出的拟南芥peamt突变体t365中, Cho的生物
合成量减少约64%, 从而导致了突变株t365对盐
渍胁迫的高度敏感 , 并表现出雄性不育叶片白
化、早衰等的种形态学表型, 这表明PEAMT基因
功能的缺失不仅影响了植物应对盐胁迫的能力,
而且还使得植物根系及花粉的正常发育受到影
响。与t365突变体相比, 通过T-DNA诱变处理得
到的拟南芥突变体xipotl P-Cho含量只减少了6%,
其地上部分和可育性也未发生明显异常, 只是在
根的分生组织和表皮细胞中出现了生长异常现象
(Cruz-Ramírez等2004; Alatorre-Cobos等2012)。这
也许是因为在拟南芥基因组中, PEAMT基因存在
分别编码序列同源性较高、生理功能相似但又不
完全相同的3个甲基化酶基因 : P E A M T基因
(At3g18000)和PLMT基因(At1g48600, At1g73600),
三者同源性为86.79%, 单个T-DNA突变只会导致
图1 植物体内甜菜碱的生物合成途径(参考McNeil 等2001; Keogh等2009)
Fig.1 Biosynthesis of glycine betaine in plants (modified from McNeil et al 2001; Keogh et al 2009)
常丹等: 植物磷酸乙醇胺N-甲基转移酶的研究进展 1157
PEAMT转录的沉默, 借助于正义/反义RNA技术
则会导致在转录水平上同时沉默PEAMT和PLMT,
故导致两种变体体t365和xipotl植株的性状有所
不同。
3 PEAMT通过促进渗调物质合成提高植物的抗
盐能力
植物面对盐胁迫发生多种胁迫应答, 如积累
一些可溶性物质提高胞内渗透压等 (Kosová等
2013)。其中GlyBet是研究较多的一种无毒、渗
透调节物质, 在盐胁迫下它可维持细胞的渗透平
衡 , 有效地稳定酶以及蛋白复合体的季铵结构 ,
维持高盐浓度下膜的有序性, 增强植物的抗逆性
等(Chen和Murata 2002, 2011; Giri 2011)。
在细胞质中PEAMT催化乙醇胺 (e thanol-
amine, EA)的三次甲基化合成Cho, 后者在叶绿体
基质中经CMO和BADH两步氧化催化下得到
GlyBet。研究表明一些植物如烟草、拟南芥中不
存在催化Cho氧化的CMO酶类物质; 而在菠菜等
植物则存在CMO酶类(Sakamoto和Murata 2000;
Nuccio等1999)。此外, Zhang等(2010)将土壤细菌
枯草芽孢杆菌(菌株GB03)与拟南芥共同培养后
发现, 拟南芥内源性Cho和GlyBet的合成量提高
了2~5倍, 从而增强了植物对甘露醇造成的脱水
胁迫的耐受能力; 而菌株GB03与拟南芥T-DNA
突变体peamt共培养时, Cho的含量并未升高, 且
GB03诱导植物的耐旱性也随之消失, 表明枯草芽
孢杆菌GB03存在催化Cho氧化的CMO氧化酶类,
从而提高植物的渗透胁迫的耐受性。
进一步研究表明将CMO转入烟草、拟南芥等
这些没有Cho氧化酶类的植株中以期提高其抗盐
性, 但效果不明显。而当加入外源的Cho后GlyBet
的含量明显增加, 植物的抗性也增强了(Huang 等
2000)。推测这可能是因为GlyBet合成的前体物质
Cho的含量不足引起的(McNeil等2000; Takaba
2012)。而Mou等(2002)研究表明, 拟南芥peamt突
变体t365的Cho生物合成量减少约64%, 从而导致
突变体植株对盐渍高度敏感。这些结果表明
PEAMT促进GlyBet的合成有助于提高植物抗盐的
能力。
将CMO、BADH和PEAMT三个基因共同转化
烟草株系时, 可使转基因株P-Cho和Cho的含量分
别增加5倍和50倍, 但Ptd-Cho含量无变化; 并使
GlyBet的含量显著增加约30倍, 有效地提高了植株
耐盐性, 且不影响转基因株的正常生长(McNeil等
2001)。从GlyBet和游离的Cho增加的倍数可以看
出, PEAMT基因的过表达对转基因烟草的初级代
谢水平的影响是很高的, 且这种高影响是不常见
的。如果后续进一步对如何增强Cho跨膜运输到
叶绿体, 提高其在叶绿体内的两次氧化时的利用
率, 及对胆碱合成途径的反馈抑制机制进行研究,
这将会利于植物更好地适应盐胁迫环境。
此外, 共转PEAMT、CMO和S-腺苷蛋氨酸合
成酶(S-adenosyl-L-methionine synthetase, SAMS)
基因的转基因植株在盐胁迫下, 三种基因在叶中
的转录水平均高于根中(Tabuchi等2005), 表明
PEAMT催化的反应还需要SAMS提供反应底物
甲基, 从而为进一步提高植物GlyBet的含量提供
了新的候选基因和转化策略(Bhuiyan等2007)。
4 PEAMT介导PA合成的双向调控机制
在植物细胞中, PA作为第二信使, 通过调节
离子通道和质子泵激活促分裂原活化蛋白激酶
(mitogen-activated protein kinases, MAPK)、钙依
赖型蛋白激酶(Ca2+-dependent protein kinase,
CDPK)级联放大反应传导胁迫信号。PA的合成
途径分为两类: 磷脂酶C (phospholipase C, PLC)途
径和磷脂酶D (phospholipase D, PLD)途径。其中
PLC途径中, PA由PLC水解Ptd-Cho生成(Hong等
2010)。而PEAMT是催化Ptd-Cho合成的前体物
质P-Cho的关键酶。研究表明peamt突变体的主
根变短、侧根增多、分生区和伸长去的根毛减
少、表皮细胞形态出现明显异常, 在培养基中添
加PA后, 使根部异常形态的细胞减少, 但对主根
和根毛的形成无影响; 添加P-Cho和Cho后所有的
突变表型都有明显的趋于正常(Cruz-Ramírez等
2004; Xue等2009)。由此说明PEAMT基因可能通
过PLC途径参与PA介导的根正常发育进程中的
信号传导。
研究表明PA可以通过与胞内酶结合从而抑
制或激活该酶的活性。如PA在小麦脂质合成中
通过与小麦PEAMT1结合而抑制其酶的活性(Jost
等2009)。在拟南芥T-DNA双突变体磷脂酸磷脂
水解酶(phosphatidic acid phosphohydrolases,
植物生理学报1158
PAH) pah1pah2的叶和根中, PA的含量明显增加,
且PEAMT基因的mRNA丰度增加约10倍, 表明PA
的含量受PAH的负调节(Eastmond等2010)。而在
酵母中, PA的含量明显增加可使转录抑制子肌醇
(Opilp)定位于核内质网上, 阻止其进入核内与肌
醇磷脂合成酶2蛋白(inositol-1-phosphate synthase
2 protein, Ino2p)的相互作用, 抑制该转录因子复
合物对脂质合成酶类启动子上游的肌醇激活元件
(inositol-sensitive upstream activating sequence,
USAINO)的激活作用, 从而促进脂类的合成(Carman
和Henry 2007; Loewen等2004)。目前关于PA对
PEAMT参与的脂质合成的调控仍有待于进一步
鉴定。
5 PEAMT基因在转录和转译水平上的表达调控
机制
对玉米(Zea mays) PEAMT1 (ZmPEAMT1)基
因启动子序列分析表明, 其启动子区包含4种顺
式作用元件: 胁迫响应元件, 激素应答元件, 花粉
发育特殊激活元件, 以及光诱导信号转导元件。
实时定量PCR分析表明ZmPEAMT1的表达受盐胁
迫诱导和高温抑制(Wu等2007)。而盐生植物盐角
草(又名海篷子, Salicornia herbacea) PEAMT基
因(ShPEAMT)启动子区序列含有脱落酸(ABA)诱
导元件、热激应答元件、低温诱导元件等顺时调
控元件, 表明ShPEAMT在转录水平上可能受赤霉
素、低温、光、ABA以及热激的调控, 这与盐角
草适应其多变的极端恶劣生境具有一定的相关性
(马赛箭等2008)。此外, 在耐寒性存在明显差异
的不同小麦品种中, PEAMT的mRNA表达水平也
发生了相应改变, 暗示了PEAMT的表达与小麦的
耐寒能力相关(Charron等2002)。而在盐渍化菠菜
叶中, PEAMT基因的mRNA丰度和酶活性均增加
约10倍, 这与植物在胁迫下对GlyBet的含量需求
增加是一致的(Nuccio等2000)。
除了转录水平上的调控, 植物对PEAMT基因
的调控还发生在转译水平上。在拟南芥中, P-Cho
含量的升高使PEAMT的开放阅读框(open reading
frame, ORF)的翻译受阻, 这是由位于ORF上游的
开放阅读框30 (upstream open reading frame 30,
uORF30)所介导的(Alatorre-Cobos等2012)。同样
的, 在磷脂酸磷酸水解酶双突变体pah1pah2植株
的叶中, 虽然检测到PEAMT1的转录水平上调, 但
外源cho的添加会使得PEAMT1的翻译水平下调,
研究表明这同样是由uORF30所介导的调控(East-
mond等2010)。
6 结论
植物PEAMT基因通过提高Cho的含量促进渗
调物质GlyBet和信号分子PA的生成, 从而增强了
植物对盐胁迫或干旱胁迫的耐受能力。目前通过
一系列甜菜碱合成相关的酶PEAMT、CMO以及
BADH的共同转化植物可提高植物的耐盐能力。
同时研究还表明SAMS通过提供PEAMT催化反应
的底物而促进甜菜碱的合成。而对于PEAMT的调
节机制的研究已涉及至其转录以及转译水平, 进
一步对其相关具体机制的研究将有助于后期通过
基因工程提高植物胁迫耐受能力。
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