全 文 ：植物生理学通讯 第 45卷 第 12期，2009年 12月 1231
收稿 2009-09-18 修定 　2009-10-23
资助 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项[XJSYWF
ZX2009-12; YWFZX09-04(N)]和公益性行业科技专项
(nyhyzx07 -0 33 -1)。
* 通讯作者(E-mail: zouzhi2008@126.com; Tel: 0898-23306692)。
橡胶树中橡胶的生物合成与调控
邹智 *, 杨礼富, 王真辉, 袁坤
中国热带农业科学院橡胶研究所 /农业部橡胶树生物学重点开放实验室, 海南儋州 571737
Biosynthesis and Regulation of Natural Rubber in Hevea
ZOU Zhi*, YANG Li-Fu, WANG Zhen-Hui, YUAN Kun
Key Laboratory of Rubber Biology, Ministry of Agriculture/Rubber Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural
Sciences, Danzhou, Hainan 571737, China
提要: 介绍橡胶树橡胶生物合成的分子过程、参与合成的主要酶类和辅助因子, 以及割胶、生长调节物质(茉莉酸和乙烯
等)和基因工程技术调控橡胶合成的研究进展。
关键词: 橡胶树; 橡胶; 生物合成; 调控
天然橡胶生物合成的研究始于 20世纪 50年
代, 至今已取得巨大进展。橡胶主要通过依赖于甲
羟戊酸的植物类异戊二烯次生代谢途径合成, 是一
个酶促顺 -1,4-异戊二烯聚合到长链聚异戊二烯链
的过程。至今虽已基本上了解了橡胶合成前中期
生化反应的各个步骤和参与反应的酶类, 但对于顺-
1,4-异戊二烯聚合成橡胶分子的详细过程还知之甚
少(刘卫平等 2002)。因此, 深入研究橡胶树中橡胶
的生物合成途径及其调控机制是非常必要的。
1 橡胶树橡胶的生物合成
1.1 橡胶合成的类异戊二烯代谢途径 此途径中, 异
戊二烯单体来源于异戊二烯焦磷酸( isopentenyl
pyrophosphate, IPP或 IDP), IPP来源于甲羟戊酸
(mevalonic acid, MVA), MVA来源于乙酰 -CoA
(acetyl CoA), 乙酰 -CoA最终来源于蔗糖。橡胶在
胶乳细胞中的橡胶粒子表面合成, 其生物合成大致
可以分为三个阶段: (1)乙酰 -CoA的形成; (2)乙酰-
CoA经MVA途径合成 IPP、二甲基丙烯基焦磷酸
(dimethylallyl pyrophosphate, DMAPP或DMADP)、
牻牛儿基焦磷酸(geranyl pyrophosphate, GPP或
GDP)、法尼基焦磷酸(farnesyl pyrophosphate, FPP
或FDP)和牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸(geranylgeranyl
pyrophosphate, GGPP或GGDP); (3) IPP聚合形成
橡胶分子(图 1)。
1.1.1 乙酰-CoA的形成 橡胶生物合成的初始原料
为蔗糖, 蔗糖通过糖酵解和三羧酸循环途径生成乙
酰 -CoA。
1.1.2 甲羟戊酸途径(mevalonate pathway) 该途径
起始于乙酰-CoA乙酰基转移酶(acetyl-coenzyme A
acetyltransferase, AACT)催化2分子乙酰 -CoA形成
乙酰乙酰 -CoA (acetoacetyl coenzyme A), 随后, 经
3-羟基 -3-甲基戊二酸单酰辅酶A合酶(3-hydroxy-
3-methylglutaryl-coenzyme A synthase, HMGS)、
HMG-CoA还原酶(HMG-CoA reductase, HMGR)、
甲羟戊酸激酶(mevalonate kinase, MVK)、甲羟戊
酸 -5 - 磷酸激酶(phosphomeva lona te kina se ,
PMVK)、甲羟戊酸 -5-焦磷酸脱羧酶(mevalonate-
5-pyrophosphate decarboxylase, MVD)、IPP异构
酶(IPP isomerase, IPI)作用依次形成HMG-CoA、
MVA、MVAP、MVAPP、IPP、DMAPP (刘卫平
等 2002; 张福城和陈守才 2006; 于俊红等 2007)。
1.1.3 橡胶分子的合成 该过程大致分为橡胶分子
合成的起始、橡胶分子链的延伸和橡胶分子合成
的终止等三步。起始过程需要 1分子反式构型的
烯丙基焦磷酸(如DMAPP、GPP、FPP或GGPP)
作为引物(或起始物) (Tanaka等 1996)。胞质中, 在
橡胶延长因子(rubber elongation factor, REF)的协
助下, 反式-异戊烯基转移酶(trans-prenyltransferase,
TPT)催化DMAPP与 IPP分别合成GPP、FPP及
GGPP等不同长度的烯丙基焦磷酸, 烯丙基焦磷酸
的二磷酸基团很容易解离, 其解离产物作为亲电试
剂作用于 IPP的亚甲基, 重新产生 1分子烯丙基焦
磷酸末端基团, 从而启动橡胶分子的生物合成。
植物生理学通讯 第 45卷 第 12期，2009年 12月1232
橡胶链的延伸其实是一个 IPP在橡胶转移酶
(rubber transferase, RuT)的催化下不断掺入到聚异
戊烯基焦磷酸长链上的过程。橡胶树中, 该反应由
紧密结合在橡胶粒子上的顺式 -异戊烯基转移酶
(cis-prenyltransferase, CPT)执行(Tanaka等1995), 随
着越来越多的 IPP掺入到橡胶链上, 形成不同大小
的橡胶分子。延伸过程需要二价金属阳离子Mg2+
或Mn2+的参与。
合成终止是聚异戊二烯链从橡胶合成复合体
上解离下来的过程, 具体细节还不清楚。有人认为
聚异戊二烯链的终止可能包含一个由焦磷酸酶催化
的焦磷酸基团解离而形成羟基的过程; 也有人认为
由于胶粒上RuT在合成橡胶分子达到一定程度时,
会产生几何空间上的阻碍而终止橡胶的合成
(Tangpakdee等1996), 也许这两种或其他情况同时
存在。
1.2 参与橡胶合成的主要酶类及辅助因子
1.2.1 AACT (EC 2.3.1.9) 又称硫解酶(acetyl coen-
zyme A thiolase), 它可催化 2分子乙酰辅酶A形成
乙酰乙酰 -CoA。乙酰乙酰 -CoA是甲羟戊酸途径
中 HMG-CoA的前体。橡胶树中该酶由 aact1、
aact2和aact3等3个或以上的等位基因编码, 其中,
aact1主要在胶乳中高水平表达, 可能参与橡胶的合
成; aact2主要在成熟叶片和胶乳中表达, 且两者表
达水平相当; aact3主要在成熟叶片中表达(Sando等
2008a)。
图 1 橡胶树中橡胶的生物合成
HMG-CoA: 3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A (3-羟基 -3-甲基戊二酸单酰辅酶 A); HMGS: HMG-CoA synthase (HMG-
CoA合酶); HMGR: HMG-CoA reductase (HMG-CoA还原酶); MVA: mevalonic acid (甲羟戊酸); MVK: mevalonate kinase (甲羟戊酸
激酶); MVAP: mevalonate-5-phosphate (甲羟戊酸 -5-磷酸); PMVK: phosphomevalonate kinase (甲羟戊酸 -5-磷酸激酶); MVAPP:
mevalonate-5-pyrophosphate (甲羟戊酸 -5-焦磷酸); MVD: MVAP decarboxylase (甲羟戊酸 -5-焦磷酸脱羧酶); IPP: isopentenyl
pyrophosphate (异戊二烯焦磷酸); IPI: IPP isomerase (IPP异构酶); DMAPP: dimethylallyl pyrophosphate (二甲基丙烯基焦磷酸);
GPP: geranyl pyrophosphate (牻牛儿基焦磷酸); GPS: GPP synthase (GPP合酶); FPP: farnesyl pyrophosphate (法尼基焦磷酸); FPS:
FPP synthase (FPP合酶); GGPP: geranylgeranyl pyrophosphate (牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸); GGPS: GGPP synthase (GGPP合酶);
REF: rubber elongation factor (橡胶延伸因子); SRPP: small rubber particle protein (橡胶小粒子蛋白); CPT: cis-prenyltransferase (顺
式 - 异戊烯基转移酶)。？表示还不确定。
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1.2.2 HMGS (EC 2.3.3.10) 它可将 1分子乙酰 -
CoA和1分子乙酰乙酰 -CoA缩合形成HMG-CoA。
研究表明, 橡胶树中, HMGR活性水平与胶乳中干
胶含量呈正相关(Suwanmanee等 2002, 2004;
Sirinupong等 2005)。该酶由一个多基因家族编码,
在已克隆的 2个成员(即 hmgs1和hmgs2)中, hmgs1
在乳管细胞中的转录水平比叶片中高(Suwanmanee
等 2002); hmgs2在幼叶和韧皮部的转录水平最高,
乳管细胞和叶柄中次之 , 成熟叶片中最低
(Sirinupong等 2005; Sando等 2008a)。
1.2.3 HMGR (EC 1.1.1.34) 它催化HMG-CoA形
成MVA, MVA是 IPP的前体。在橡胶树中, HMGR
是一种黄色体膜结合蛋白, 由 hmgr1、hmgr2、
hmgr3 (早期称为 hmg1、hmg2、hmg3)、hmgr4、
hmgr5和 hmgr6等多个基因组成的基因家族编码
(Chye等 1992; 黄俊生和孔德謇 1996; Sando等
2008a)。其中, hmgr1编码 575个氨基酸, 分子量
为61 702 Da, 在乳管中的表达高于叶片, 受乙烯诱
导, 可能与橡胶生物合成有关; hmgr2只报道了部
分序列, 无组织特异性; hmgr3编码 586个氨基酸,
分子量为 62 978 Da, 其 cDNA序列与 hmgr1的相
似性为 86%, 氨基酸相似性为 95%, 在叶片和胶乳
中组成型表达, 启动子像大多数持家基因一样, 缺
少TATA盒, 可能与其他类异戊二烯的生物合成有
关(Chye等 1992); hmgr4的 cDNA序列与 hmgr1和
hmgr3的相似性分别为73%和71%, 主要在成熟叶
片中高水平表达; hmgr5的 cDNA序列与 hmgr1和
hmgr3的相似性都为71%, 主要在木质部中高水平
表达(Sando等 2008a); hmgr6与其他等位基因的核
酸序列相差很大, 其编码蛋白的分子量为42 kDa (黄
俊生和孔德謇 1996)。同源性分析表明, 不同物种
中, HMGR N-端保守性较低, 其中, 植物与动物和
微生物差异甚大; 而靠近C-端部分高度保守, 估计
与该酶的活性中心有关。
1.2.4 MVK (EC 2.7.1.36) 它催化MVA形成MVAP,
反应需要消耗 1分子ATP。MVK是一种激酶, 对
pH和温度都不太敏感, Mn2+存在时活性最高, 其酶
活性受硫醇类物质抑制。橡胶树中, 该酶可能由单
基因编码, 在胶乳中高水平表达(Sando等 2008a)。
1.2.5 PMVK (EC 2.7.4.2) 它催化MVAP形成
MVAPP, 消耗 1分子ATP。此酶对酸和高温不稳
定, 需要硫醇类物质维持其活性。橡胶树中, 该酶
可能由单基因编码(Sando等 2008a)。
1.2.6 MVD (EC 4.1.1.33) 它催化MVAPP脱去 1
分子的CO2和1分子H2O从而形成 IPP, IPP是橡胶
合成的前体。与 PMVK相比, MVD对酸和热的稳
定性较好, 但该酶易受其产物 IPP和ADP反馈抑制
(Cornish 1993)。橡胶树中, 该酶可能由单基因编
码(Sando等 2008a)。
1.2.7 IPI (EC 5.3.3.2) 又名异戊二烯二磷酸异构酶
(isopentenyl-diphosphate delta-isomerase, IDI1), 离
心后分布于C-乳清中, 它催化 IPP转化成DMAPP,
其最大酶活性需要DTT和二价金属离子(Mg2+或
Mn2+)存在(Koyama等 1996)。橡胶树中, 该酶可能
由2个等位基因编码, 体外实验表明它对橡胶的合成
是必需的(Oh等 2000)。它易受碘乙酰胺(iodoace-
tamide)、对氯汞苯甲酸(p-chloromercuribenzoate)
和 N-乙基马来酰亚胺(N-ethylmaleimide)等巯基抑
制剂抑制(Koyama等 1996)。
1.2.8 RuT 在含顺式橡胶的植物体内, 存在2种异
戊烯基转移酶——CPT和TPT, CPT与膜结合, TPT
则是可溶性的, RuT是这多种酶的总称, 通常所称
的橡胶转移酶主要是指 CPT。
TPT (EC 2.5.1.1) 它也是多个酶的一种合称,
包括 GPP合酶(GPP synthase, GPS或 GPPS或
GDPS)、FPP合酶(FPP synthase, FPS或 FPPS或
FDPS, EC 2.5.1.1/2.5.1.10)和牻牛儿基牻牛儿基焦
磷酸合酶(GGPP synthase, GGPS或 GGPPS或
GGDPS)等。该类酶属于可溶性胞质蛋白, 橡胶树
中, 胶乳离心后分布于C-乳清中(Asawatreratanakul
等 2003)。TPT是植物类异戊二烯代谢途径中的分
支点, 可催化DMAPP与 IPP分别合成GPP、FPP
及 GGPP等不同长度的烯丙基焦磷酸, 从而促使
IPP掺入到聚异戊二烯链中。
GPS催化 1分子DMAPP与 1分子 IPP缩合形
成GPP。NCBI中公布了 2个橡胶树GPS的 cDNA
序列(AB294709和AB294710), GPS1编码330个氨
基酸, GPS2编码 328个氨基酸, 两者的氨基酸序列
相似性为 91.8%, 至今它们的表达模式和表达水平
还不清楚。
FPS主要催化1分子GPP与1分子的 IPP缩合
形成 FPP, 但它也可能替代 GPS的功能(Cornish
1993), 橡胶树中, 该酶可能由 2个等位基因编码
(FPS1和 FPS2), 其编码蛋白只有 5个氨基酸的差
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异。Adiwilaga和 Kush (1996)从橡胶树胶乳的
cDNA文库中筛选到的FPS1编码341个氨基酸, 分
子量为 47 kDa, 与拟南芥、酵母、鼠中 FPS氨
基酸序列的相似性分别为 8 0 %、5 9 %、5 1 %。
Northern杂交表明FPS1在乳管细胞和表皮细胞中
都有表达, 且明显高于花, 割胶可促进该基因表达,
但乙烯对其无明显作用。FPS2的表达模式还不清
楚。
GGPS催化 1分子FPP与 1分子 IPP缩合形成
GGPP。Takaya等(2003)从巴西橡胶树的叶片和胶
乳 cDNA文库中克隆到 GGPS基因, 分别命名为
HBGGPPS1和HBGGPPS2。2条序列在 5端非编
码区和3端非编码区存在一些差异, 但编码蛋白都
含有反式 -异戊烯链延长酶特有的保守区, 且其氨
基酸序列与拟南芥、辣椒、长春花的GGPS相似
性较高, 而与人类、果蝇的GGPS相似性较低。转
录分析表明, GGPS基因在橡胶树花和叶片中的表
达水平比在叶柄和胶乳中高。
CPT (EC 2.5.1.10) 又叫顺式 -异戊二烯二磷
酸合酶(cis-prenyl diphosphate synthase), 它是一种
与橡胶粒子紧密结合的膜蛋白, 催化形成长链橡胶,
决定橡胶分子的大小(Cornish 1993)。橡胶树中, 该
酶可能由10个以上的等位基因编码, 目前还不能确
定哪个或哪些真正参与橡胶的合成。Asawatrera-
tanakul等(2003)从橡胶树胶乳中分离到的 2个
cDNA (HRT1和HRT2)核苷酸相似性为 92%, 氨基
酸相似性为 87%, 且与滕黄微球菌(Micrococcus
luteus)、大肠杆菌、酵母、拟南芥等的氨基酸相
似性都大于 30%, 具有顺式 -异戊烯基延长酶特有
的 5个高度保守结构域, 主要在胶乳中表达。Ko
等(2003)以HbCPT (AY12446)序列为探针, 从胶乳
cDNA文库中获得 4个CPT的 cDNA序列, 分别命
名为HbCPT1、HbCPT2、HbCPT3和HbCPT4。
酶活性分析表明, HbCPT3和 HbCPT4都具有将
[ 1 4 C ] - I P P 掺入到橡胶链中的能力。罗明武等
(2009)克隆到的 CPT编码 290个氨基酸, 分子量约
为 32.9 kDa, 等电点为 7.2, Northern杂交表明该基
因在胶乳中高度表达, 在叶中不表达, 不受乙烯诱
导。
1.2.9 REF 它是一种与橡胶粒子紧密结合的膜蛋
白, 分子量为14.6 kDa, 占橡胶粒子膜蛋白的10%~
60%, 占胶乳总蛋白的 6%~10% (Han等 2000)。
REF小于 100 nm, 它对于 FPS合成橡胶起始物, 乃
至橡胶链的延长是必需的(Goyvaerts等 1991)。
Goyvaerts等(1991)从橡胶叶片的 cDNA文库中分
离到 REF编码区长 417 bp, 编码蛋白缺少 Cys、
Met、His和 Trp四种氨基酸; 定量分析表明, REF
与橡胶粒子的分子比为 1:1。邓晓东等(2002)采用
基因组步移法分离到 REF 260 bp的启动子区域序
列, 其中含典型的 TATA盒和 CAAT盒, 体外实验
表明该启动子可受乙烯利和ABA诱导。Priya等
(2007)从一高产橡胶树品种RRII105中分离到REF
的基因组序列, 该序列全长1 367 bp, 被2个内含子
分割成 3个外显子, 编码 138个氨基酸, 与已知
cDNA的相似性达100%; RNA杂交表明, 与低产品
种相比, 高产品种中REF的转录水平明显要高。李
先昆(2009)用酵母双杂交系统从胶乳中筛选到的与
REF作用的 3个阳性克隆, 其中 2个与REF高度同
源(HbREF, AB074308和AY430052), 同属 REF家
族; 另一个为翻译调控肿瘤蛋白(translationally con-
trolled tumor protein, TCTP, AF091455)。
1.2.10 SRPP (small rubber particle protein, 橡胶
小粒子蛋白) 它是橡胶小粒子中含量最为丰富的膜
蛋白之一(即胶乳过敏原 Hev b3) , 分子量为 22
kDa。Oh等(1999)从胶乳中分离到 SRPP的 cDNA
全长, 其编码的氨基酸序列与REF相似性高达72%;
另外, SRPP也跟菜豆胁迫相关蛋白(phaseolus vul-
garis stress-related protein, PvSRP)高度相似, PvSRP
在植物防御中起作用, 虽然 PvSRP可受重金属、
伤害及病毒侵染等诱导, 但乙烯和伤害均不能改变
SRPP的转录水平, 此外, SRPP的等电点(pI=4.8)
也不同于 PvSRP (pI=9.47), 这说明 SRPP的表达模
式和功能可能与PvSRP不同。Southern和Northern
杂交显示 SRPP由单基因编码, SRPP与 REF位于
基因组的同一基因座, 在胶乳中高水平表达。离体
实验表明, 在无其他橡胶粒子蛋白存在时, SRPP也
能合成长链橡胶分子, 因此认为它可能在橡胶生物
合成中起橡胶聚合的作用, 或类似于延长因子的功
能。
2 橡胶树橡胶生物合成的调控
2.1 影响橡胶合成的关键酶和限速酶及其调控 橡
胶的生物合成是一个非常复杂的过程。研究表明,
橡胶树乳管细胞中HMGR、FPS和 RuT等酶所催
化的反应, 是橡胶合成的关键步骤和限速步骤。
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2.1.1 HMGR及其调控 HMGR催化的反应是不可
逆的。与橡胶树胶乳中的其他酶类相比, HMGR活
性非常低, 而MVA的利用速度比HMG-CoA快许
多, 随着中间产物碳链的延长, 其利用速度逐渐加
快, 呈DMAPP(C5)(C20); 有报道表明橡胶树胶乳中HMGR活性与橡
胶产量密切相关; 银胶菊中, 橡胶粒子迅速形成时,
HMGR活性也迅速提高, 这表明HMGR参与调控橡
胶的合成, 并且很可能是橡胶合成的限速酶之一。
由于编码HMGR的家族成员 hmgr1主要在乳管中
表达, 且受乙烯和茉莉酸(jasmonic acid, JA)诱导,
可能与橡胶生物合成有关, 而hmgr3在叶片和胶乳
中组成型表达, 可能与其他类异戊二烯的合成有关,
因此, HMGR不同等位基因的表达可能对MVA途
径中 “碳流”的去向起调控作用, 外源 JA刺激可能
通过诱导hmgr1表达从而促使 “碳流 ”朝着有利于
橡胶生物合成的方向进行。为了证实这种猜测,
Arokiaraj (1995)用基因枪法将hmgr1导入橡胶树花
药愈伤组织后, 转化的愈伤组织和胚状体中的
HMGR活性提高 580%, 遗憾的是他们未能获得转
化植株。
2.1.2 FPS及其调控 由于橡胶分子合成的起始是
一个十分缓慢的过程, 因而起始过程也就成为橡胶
生物合成的限速步骤之一。橡胶分子合成的起始
需要有反式构型的烯丙基焦磷酸的参与, 虽然
DMAPP、GPP、FPP和 GGPP都可作为起始物,
且聚异戊烯基转移酶对起始物的长度选择性不大,
不同起始物都以一个恒定的速度起动橡胶的合成
(Tanaka等1996), 但橡胶合成的速度随着起始物碳
链长度的增加而加快, FPP与GGPP相近(刘卫平等
2002), 因此, FPP和GGPP就可能是橡胶合成的主
要起始物。同位素示踪技术和核磁共振技术结果
表明, FPP对合成启动起决定性作用, 是橡胶分子
合成最主要的起始物(刘卫平等 2002), 因而FPP也
就成为橡胶生物合成最大的限制因子之一。橡胶
树中, FPP由 FPS催化合成(Light和Dennis 1989)。
因此, 采用基因工程技术促使 FPS基因过量表达,
有望提高橡胶的产量和质量。
2.1.3 CPT及其调控 CPT催化 IPP掺入到聚异戊
烯链上, 直接决定橡胶分子的大小。迄今虽已从橡
胶树中克隆到CPT基因(Asawatreratanakul等2003;
Ko等2003), 但它们的生理生化性质还不完全清楚;
以前认为橡胶分子的延伸由CPT和SRPP决定, 但
Western分析表明, CPT和SRPP都不是橡胶聚合的
核心蛋白(Singh等 2003)。因此, 进一步鉴定与
CPT互作的蛋白将有助于更好的了解和调控橡胶
的生物合成。
2.2 割胶对橡胶生物合成的调控 由于胶乳中含有
大量的防卫相关蛋白, 因此, 一般认为, 胶乳在橡胶
树机械损伤和病原伤害等逆境反应中起作用。成
龄橡胶树会对割胶做出应答, 刚开割的树胶乳非常
少, 持续割胶可促使胶乳产量呈曲线上升, 并最终
达到稳定(Sakdapipanich等 1999)。未开割的橡胶
树中, 胶乳细胞维持相对稳定状态, 主要是 “看家
基因 ”表达, 割胶及胶乳的流失会导致乳管细胞的
基因表达模式发生改变。割胶开始后, 与胶乳再生
和凝固相关的基因过量表达, 同时伴随着蛋白合成
效率的提高, 胶乳的代谢活性增加。而随着代谢的
增强, 活性氧和自由基含量增加, 这又进一步诱导
过氧化物酶和超氧化物歧化酶等编码基因的过量表
达, 而胶乳中过氧化物酶的水平与割胶后橡胶的产
量成正相关。割胶还可促进 FPS和 REF等基因的
表达(Adiwilaga和Kush 1996), 而 FPS和 REF在橡
胶分子的起始中起作用。鉴于损伤可提高番茄体
内HMGR转录水平, 因此, 橡胶树中割胶是否有类
似的效应尚待研究。另外, 胶乳中存在橡胶合成抑
制剂, 此抑制剂具酯酰水解酶活性(Yusof等1998), 割
胶和排胶可降低其浓度, 从而有利于胶乳的合成。
2.3 茉莉酸类物质对橡胶生物合成的调控 JA是近
20年来研究较多的一类植物生长调节物质, 它是十
八碳脂肪酸的衍生物, 其前体是亚麻酸。其他在化
学结构和功能上与JA相似的化合物, 统称为茉莉酸
类物质(jasmonates)。在 JA的生物合成过程中, 有
3种关键酶: 脂氧合酶(lipoxygenase, LOX; EC 1.13.
11.12)、丙二烯氧化物合酶(allene oxide synthase,
AOS; EC 4.2.1.9)和丙二烯氧化物环化酶(allene
oxide cyclase, AOC; EC 5.3.99.6)。
JA具有广泛的生理效应, 除参与调控植物生长
和发育外, 它还介导植物对机械损伤、虫害和病害
等逆境的反应。在这一过程中, JA既可作为信号
分子, 也可作为激发子。外施 JA和亚麻酸等前体
物质可诱导橡胶树次生乳管的分化。与 JA相比,
亚麻酸需要更高的浓度, 且亚麻酸会造成次生韧皮
部细胞层数的减少(Hao和Wu 2000)。由于机械损
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伤和外源 JA均可诱导橡胶树AOS基因的表达、提
高胶乳中脂氧合酶的活性和橡胶树内源JA的水平,
且机械损伤对乳管分化的诱导可为外施JA所增强,
而被 JA合成抑制剂阻断(Wu等 2002; 曾日中等
2001), 因此认为机械损伤可能通过促进橡胶树内源
JA的合成进而调控乳管细胞的分化。机械损伤和
外施JA对乳管分化的效应是局部的, 伴随着受伤和
JA施用部位的树皮和形成层区内JA含量在短时间
内快速增加, 此部位的树皮诱导次生乳管的形成
(Tian等 2003), 一旦分化出乳管, 乳管细胞中就迅
速形成大量的橡胶粒子。外施茉莉酸甲酯可以提
高胶乳的干胶含量, 表明茉莉酸类物质能够促进已
有乳管中橡胶的合成。JA还可促进参与编码与橡
胶合成关键酶的基因如 PMVK、hmgr1等基因的
表达(曾日中等 2003)。
2.4 乙烯利对橡胶生物合成的调控 乙烯利释放的
乙烯是橡胶生产上广泛应用的生长调节物质, 但至
今没有证据表明乙烯可促进橡胶合成中的关键基因
如HMGR、FPS等的表达。因此认为乙烯可能是
通过其他途径起相关的生物学效应。研究表明, 外
源乙烯可促进橡胶树韧皮部和木质部中淀粉的水
解, 加速糖酵解, 增加乙酰 -CoA、ATP、多聚核
糖体和 rRNA浓度; 加速水分和养分的吸收, 改变
细胞质和膜部分钙调蛋白的分布, 增加细胞膜的通
透性, 导致胶乳流速加快, 增强排胶功能; 增加Mn-
S O D、几丁质酶、谷氨酰胺合酶、橡胶蛋白
(Hevein)、伸展蛋白等酶或蛋白编码基因的转录水
平。其中, 几丁质酶可竞争性地与凝结相关蛋白的
受体位点结合, 延缓胶乳的凝结, 延长排胶时间; 过
氧化物酶水平的增加与及时清除由于代谢加强所产
生的活性氧有关(段翠芳等 2004; Dusotoit-Coucaud
等 2009)。
3 结束语
天然橡胶的生物合成是一个很复杂的过程。
至今还不完全清楚橡胶在橡胶树中确切的生物学功
能。虽然胶乳可起防卫作用, 但橡胶分子本身并无
这种功能, 并且橡胶分子在植物中似乎属于代谢终
产物, 迄今还未发现可降解此类分子的酶类, 那么,
橡胶树为什么要花费如此多的原料和能量合成这类
物质？面对胶乳和木材两个库, 橡胶树又是如何分
配各种养分和光合产物的？物质分配的分支点又在
哪里？为什么高频割胶和过度的乙烯刺激会造成死
皮？这都是橡胶树生产中需要解决的难题。
就橡胶的合成途径而言, 一般认为橡胶树是通
过典型的MVA途径合成 IPP。然而, 在其他物种
中, IPP的合成也存在不依赖MVA的植物类异戊二
烯代谢途径, 这种非甲羟戊酸途径又称为2C-甲基-
4-磷酸 -D-赤藓糖醇(2C-methyl-D-erythritol-4-
phosphate, MEP或DXP)途径, 存在于质体中。此
途径以糖代谢的中间产物丙酮酸和3-磷酸-甘油醛
为前体, 经焦磷酸硫胺素依赖的 D X S ( D X P
synthase)缩合形成DXP; DXP在DXP还原异构酶
(DXP reductoisomerase, DXR)等酶的催化下, 通过
分子内重排和还原反应转变成MEP和 IPP。有研
究表明, 橡胶树中也存在此类途径, 但同位素示踪
显示其并不参与橡胶的生物合成(Sando等 2008b),
其中的机制还值得探讨。
在橡胶合成的代谢途径中, 虽然目前对IPP合
成的MVA途径的研究比较透彻, 但关于橡胶分子
合成的起始、延伸和终止, 特别是延伸和终止过程
还不明了。一般认为, 橡胶分子链的延伸是由紧密
结合在橡胶粒子上的 CPT催化(Tanaka等 1995)。
虽然也有一些所谓的CPT基因已得到克隆(Asawa-
treratanakul等 2003; Ko等 2003), 但对它们的理化
性质和生物学功能还不甚了解, 因而采用转基因技
术对此类基因进行功能鉴定以及深入研究与其互作
的蛋白将有助于更好地了解和调控橡胶的生物合
成。就橡胶合成的终止过程而言, 是否可采用电镜
体外监控橡胶合成的整个过程和深入研究橡胶粒子
的空间结构以获得更多的信息, 还有待研究。此
外, 目前对橡胶合成途径中相关酶类和辅助因子的
认识主要来自其他物种或一些间接的证据, 最为直
接的方法是进行转基因研究。然而, 至今橡胶树的
遗传转化体系还不成熟, 又加上与橡胶合成相关基
因的功能鉴定需要的周期很长, 所以对橡胶树橡胶
合成的分子机制的阐释还任重而道远。
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