全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2012, 48 (10): 949~957 949
收稿 2012-05-24　　修定 2012-07-13
资助 湖北省自然科学基金重点项目和中国博士后科学基金项
目(20100480914)。
* 通讯作者 (E-mail: zenghl@mail.hzau.edu.cn; Tel: 027-8728-
3465)。
植物丙酮酸磷酸双激酶(PPDK)研究进展
王真梅, 李海霞, 何莹, 曾汉来*
华中农业大学植物科学技术学院, 农业部长江中游作物生理生态与耕作重点实验室, 武汉430070
摘要: 丙酮酸磷酸双激酶(PPDK)是C4植物和景天科酸代谢(CAM)植物光合作用的关键酶, 催化形成固定CO2的初始分子受
体磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)。本文重点比较了植物的PPDK基因结构及分子进化关系, 综述了PPDK在C4植物和C3植物中的
功能、PPDK的调控机理、PPDK在胁迫条件下的功能以及转PPDK基因等在近年来的研究进展。
关键词: 丙酮酸磷酸双激酶; 活性调控; 胁迫; 基因工程
Advances in Plant Pyruvate, Orthophosphate Dikinase
WANG Zhen-Mei, LI Hai-Xia, HE Ying, ZENG Han-Lai*
Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System in the Middle Reaches of the Yangtze River, Ministry of Agriculture,
College of Plant Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China
Abstract: Pyruvate, orthophosphate dikinase (PPDK) is a cardinal enzyme of the C4 and CAM pathway. Its role
in C4 photosynthesis is to catalyze the regeneration of the CO2 acceptor PEP. This chapter addresses the com-
parisons among plant PPDK genes and the evolution and phylogenetic distribution of PPDK. The current state-
of-knowledge on PPDK functions in C4 and C3 plants and the regulation of PPDK are described. Also reviewed
are the role of PPDK in stress and transgenic plants expressing PPDK.
Key words: pyruvate, orthophosphate dikinase; activity regulation; stress; genetic engineering
丙酮酸磷酸双激酶(pyruvate, orthophosphate
dikinase或pyruvate, phosphate dikinase, PPDK, EC
2.7.9.1)是C4途径和景天科酸代谢(crassulacean acid
metabolism, CAM)途径的限速酶, 催化ATP、丙酮
酸(pyruvate)和Pi经三步反应生成磷酸烯醇式丙酮
酸(phosphoenolpyruvate, PEP), 此反应具有可逆性,
而PEP则是CO2的受体, 因此PPDK对光合功能具有
重要调节作用。已有研究表明PPDK基因具有2个
不同的转录起始位点, 分别受2个启动子控制。其
中, 长转录物翻译为C4型PPDK蛋白, 含有一段转
运肽, 其表达具有组织特异性及光诱导性, 而短转
录物翻译为胞质型PPDK蛋白。有研究指出C4光
和途径是在低大气CO2浓度和较高温气候条件下
由C3光合途径进化而来的(Christin等2008), 并在C3
植物水稻、拟南芥等及Flaveria属的C3和C4植物中
发现PPDK基因均具有类似的双元启动子结构和
表达模式, 为C4植物是由C3植物进化而来提供了证
据。C4型PPDK的活性受到光照调控, 通过PPDK
调控蛋白(PDRP)的可逆磷酸化来活化/失活该酶。
虽然胞质型PPDK的表达量较低, 但胞质型PPDK
的非光合作用可能对pH维持、柠檬酸循环中间产
物的补偿方面有重要作用。在各种非生物胁迫(如
干旱、低温、高盐、UV-B)下, PPDK的含量及活
性发生改变。此外, 植物在病毒感染的生物胁迫
中, PPDK的活性增强。目前对PPDK在C3植物中
的作用及非光合作用功能研究受到重视, 明确其
功能与机理, 以期利用基因工程手段调节植物的
碳循环来提高植物的光合效率, 以及增强植物的
抗逆性。
1 植物PPDK的基因结构及进化关系
目前, 已经从一些高等植物如玉米、水稻、
拟南芥、高粱、甘蔗、家稗和Flaveria属等植物中
克隆到了PPDK基因, 它们的PPDK基因有很高的
同源性。
C4植物玉米PPDK基因由19个外显子组成, 跨
越12 kb, 其氨基酸序列在1988年首次由玉米cDNA
克隆推导而来。玉米PPDK的cDNA编码一段由
植物生理学报950
947个氨基酸组成的102.7 kDa的多肽(Matsuoka等
1988)。玉米PPDK基因在核基因组中的定位最初
是通过RFLP (restriction fragment length polymor-
phism, 限制性内切酶片段长度多态性)技术实现
的, 定位在第6染色体上(Matsuoka 1990)。对玉米
PPDK基因家族的克隆分析表明, 该家族含有两个
成员, 其中一个位点PPDK1采用双启动子结构分
别编码C4型(基因: C4PPDKZM1)和胞质型PPDK
(基因: CYPPDKZM1), 通过2个启动子分别从2个不
同的转录起始位点转录 , 产生2段不同长度的
mRNA。长转录物包含436 bp的第一外显子, 编码
71个氨基酸(7.3 kDa)组成的叶绿体转运肽, 其余
876个氨基酸组成C4型成熟PPDK在叶绿体中行使
功能, 而短转录物不包括该转运肽, 其产物在细胞
质中发挥作用; 另一个位点PPDK2编码胞质型
PPDK (基因: CYPPDKZM2) (Matsuoka 1995)。对
玉米C4型PPDK基因组序列分析表明 , 玉米2个
PPDK拷贝的编码区以及5侧翼到TATA box之间的
序列有很高的同源性, 该基因的5端有2段30 bp的
重复序列, 该序列可能参与了光调控表达(Glackin
和Grula 1990)。每一个PPDK基因在根、茎、叶中
有独立的表达系统。光诱导的C4PPDKZM1基因
表达调控受两种不同的表达模式控制, 通过对不
同的上游调控序列的活化来实现, 该活化发生在
叶片中, 在根和茎中处于失活状态。位于C4PPD-
KZM1第一内含子中独立的上游原件以及特异的
TATA启动子原件是CYPPDKZM1基因表达所必须
的。CYPPDKZM2的低表达水平可能是由于缺乏
上游正调控原件以及低活性的TATA启动子原件。
玉米中光介导C4PPDKZM1表达与叶片的发育无
关, 与叶绿体的发育部分相关(Sheen 1991)。
与玉米的PPDK基因结构类似, C3植物水稻至
少有2个PPDK编码位点(PPDK1和PPDK2), 其中
PPDK2定位在水稻第3染色体上, 包含18个外显子,
编码一个由887氨基酸组成、96.6 kDa的胞质型
PPDK, 对应基因符号为CPDK2。PPDK1与玉米的
C4型PPDK基因结构非常相似, 定位在水稻第5染
色体上, 全长11 kb, 包含21个外显子, 有20个内含子
插入, 比玉米C4型PPDK基因多2个内含子, 它们是
第1内含子和第4内含子, 分别插入到玉米第1外显
子5非编码区及第3外显子中。PPDK1第1外显子
仅包含5非编码区, 而第2外显子除了含有45 bp的
5非编码区外, 还包括了225 bp的转运肽编码区。
外显子长度范围是57~345 bp, 除第2内含子外, 内
含子长度范围是81~1 458 bp。PPDK1除了比玉米
基因多2个额外内含子外, 其余内含子插入位点与
玉米C4型PPDK基因基本一致。与玉米C4 PPDK的
编码方式类似, PPDK1有2个功能独立的启动子, 分
别产生一个包含有转运肽的类C4型PPDK (947个
氨基酸, 102.8 kDa)长转录产物PPDKB, 以及一个
不含有转运肽的胞质型PPDK (882个氨基酸, 96.2
kDa)短转录产物CPDK1 (Imaizumi等1997)。C3植
物拟南芥有一个PPDK位点, 由17个外显子和16个
内含子组成, 也存在这种双启动子结构, 分别编码
胞质型和叶绿体型PPDK (Parsley和Hibberd 2006)。
目前Flaveria属的不同光合类型植物的PPDK
基因已经得到了克隆, Flaveria属植物是双子叶植
物, 其光合碳同化途径多样, 包括C3途径的F. pring-
lei, 介于C3和C4之间的F. chloraefolia、F. brownii和
F. linearis, 以及C4途径的F. trinervia和F. bidentis
等。C3植物F. pringlei与C4植物F. trinervia的C4型
PPDK氨基酸序列有96%的同源性。这些差异氨基
酸均匀的分布在整个多肽链中。对上述克隆的基
因序列分析表明, 它们的编码区高度同源, 暗示了
PPDK在这些种中是单拷贝。通过比较PPDK基因
在上述Flaveria属植物中的表达发现其表达丰度与
光合作用类型相关, 表达水平的升高在Flaveria属
植物由C3植物向C4植物的进化过程中扮演了重要
的角色。PPDK基因在F. trinervia中以单拷贝的形
式出现, 该基因全长13 kb, 由21个外显子组成, 与
水稻类C4 PPDK基因类似, 通过2个内含子插入, 比
玉米C4型PPDK基因多了2个外显子。通过双启动
子可以实现两种类型PPDK的产生, C4型PPDK在
叶片中大量积累, 同时也在茎和根中表达, 其转录
物长3.4 kb; 胞质型PPDK在根中有表达, 其转录物
长3.0 kb, 编码细胞质转运肽部分缺失。3.4 kb的转
录物积累是由光调控的。暗诱导可以使这种在叶
片和茎中的转录急剧减少, 取而代之的是转运肽
缺失、3.0 kb的转录物得到积累, 但是这种积累只
存在于茎和根中 , 而不存在于叶片中。与玉米
PPDK基因调控类似, 都是通过PPDK的同一段5非
编码区的顺式作用原件调控了C4型PPDK在叶肉
细胞以及其他器官中的表达(Rosche等1994; Ro-
sche和Westhoff 1995; Rosche等1998)。
王真梅等: 植物丙酮酸磷酸双激酶(PPDK)研究进展 951
甘蔗(Saccharum officinarum) PPDK基因长
3 172 bp, 其中编码区长2 841 bp, 可翻译成947个氨
基酸(Burnell和Bresolin 2000)。王金明等(2007)从
C4植物家稗(Echinochloa crusgalli var. frumentacea)
中克隆了全长为3 085 bp的PPDK基因cDNA, 其中
编码区为2 844 bp, 编码948个氨基酸, 与高粱(Sor-
ghum bicolor)、甘蔗(Saccharum officinarum)、玉
米(Zea mays)等C4型PPDK基因的相似性分别为
85.1%、84.0%和82.0%, 与水稻(Oryza sativa var.
japonica)的C3型PPDK相似性高达82.6%。王淼等
(2011)从C4植物籽粒苋(Amaranthus hypochondria-
cus)中克隆了PPDK基因, 全长为3 224 bp, 956个氨
基酸由2 868 bp的编码区编码, 在绿色组织中特异
表达。
PPDK基因特殊的双启动子转录系统不是玉
米C4型PPDK基因特有的, 在水稻、拟南芥(C3植
物)和Flaveria属的C3及C4植物中都发现了类似的
结构。说明这种双启动子系统是C3和C4植物中
PPDK的共有特点(Imaizumi等1997; Matsuoka
1995; Parsley和Hibberd 2006)。在水稻中这两种转
录物的表达是不同的, 水稻胞质型PPDK启动子活
性很高, 而C4型PPDK的启动子活性相对要低。相
比之下, 玉米的两种启动子都有较高的活性。除
了玉米的C4型PPDK启动子活性要高于水稻外, 水
稻中类C4的PPDK与玉米的C4型PPDK不仅在基本
的结构方面, 在表达调控方面也有很高的相似性,
表明在C4植物进化过程中对C3型PPDK的遗传改
变是相对有限的。两个额外内含子在双子叶Fla-
veria属以及单子叶水稻C4型PPDK的相同位点中
被发现, 证明这2个内含子在单子叶和双子叶植物
分化以前的祖先基因中就已经存在了(Imaizumi等
1997)。
PPDK首先在C4植物中发现(Hatch和Slack
1968), 此外在细菌、原生动物、C3和CAM植物中
均有发现 , 但不存在于哺乳动物体内(Evans和
Wood 1968; Reeves 1968)。虽然PPDK在C4植物和
细菌中的四级结构不同——在C4植物中是同型四
聚体, 而在细菌中是同型二聚体(Pocalyko等1990),
但是他们的初级结构都十分类似, 只是细菌和原
生动物的PPDK不含有转运肽, 这暗示PPDK基因
在原核生物和真核生物分化以前就已经存在了
(Matsuoka 1995)。
对部分植物、细菌及原生动物PPDK的氨基
酸序列进行系统进化树分析(图1), 结果表明: 单子
叶(如水稻、玉米)和双子叶植物(如Flaveria属、冰
叶日中花和拟南芥)的PPDK同源性不同, 玉米C4型
PPDK与同是禾本科C3型PPDK的同源性较双子叶
C4型PPDK高。植物中的PPDK根据光合作用类型
的不同, 同源性有差异, 光合作用类型相近的物种
(如Flaveria属的F. bidentis和F. trinervia) PPDK的
同源性较强。说明C3植物在向C4植物进化的过程
中, 保留了大部分C3 PPDK基因序列。对拟南芥和
玉米PPDK基因的5和3非转录区的分析证明了这
些C3基因中的顺式作用元件促进了C4光合作用的
进化, 此外, C3反式作用元件在C4功能叶片的进化
中也起到了重要的作用(Kajala等2012)。
图1 植物、细菌和原生动物PPDK系统进化树
Fig.1 The phylogenetic distribution of PPDK from plants,
bacteria and protozoa
参考Mastuoka (1995)文献略有改动。Flaveria属植物: Fla-
veria bidentis (C4) (Q39735), Flaveria trinervia (C4) (CAA40420),
Flaveria brownii (C3-C4) (CAA55784), Flaveria pringlei (C3)
(CAA53223); 其他植物: Mesembryanthemum crystallinum 冰叶
日中花(CAM) (CAA57872), Arabidopsis thaliana 拟南芥(C3)
(O23404), Zea mays 玉米(C4) (AAA33495), Oryza sativa 水稻(C3)
(BAA22419); 细菌: Clostridium symbiosum (P22983); 原生动物:
Entamoeba histolytica (P37213)。
2 植物PPDK的功能
PEP酶家族通常是通过3个结构域实现可逆的
催化反应, PPDK是PEP酶家族成员, 通过一个高度
保守的His残基介导磷酸基团的转移(McGuire等
1996; Tjaden等2006)。PPDK中催化残基His位于
磷酸转运结构域内, 对玉米PPDK晶体结构的研究
植物生理学报952
证实了该结构域通过一段15~30个氨基酸残基组
成的内源结构域连接肽(或称旋转结构域)实现在N
端和C端底物结合域之间的往复自由旋转, 使磷酸
基团得以转运(McGuire等1996; Nakanishi等2005;
Lin等2006; Lim等2007)。植物和细菌的PPDK都
含有一段高度保守的活化序列GMTSHAAVVAR/
G, 原生动物的PPDK也含有一段类似序列GKT-
SHAAVVAR, 其中T为调控位点, H为催化位点
(Goss等1980; Roeske等1988)。在植物体内, PPDK
是C4途径和景天科酸代谢途径的限速酶(Mallona
等2001; Wang等2008)。在C4光合途径中, PPDK的
功能是催化ATP及丙酮酸生成PEP, PEP作为初始
CO2受体进一步生成苹果酸。PPDK催化的反应
为: 丙酮酸+ATP+Pi←→PEP+AMP+PPi。此反应
分三步进行:
(1) E-His+PγPβPα-Ade+Pi←→E-His-PβPγ•Pα-
Ade•Pi
(2) E-His-PβPγ•Pα-Ade•Pi←→E-His-Pβ+Pα-
Ade+PγPi
(3) E-His-Pβ+丙酮酸←→E-His+PEPβ
首先是ATP与该酶的N端结构域结合, 利用
ATP (PγPβPα-Ade)的β和γ磷酸基团转移对中心催化
残基His (E-His)进行焦磷酸化, 然后将γ磷酸基团
转移到一个自由磷酸基团上形成焦磷酸(PPi)、
AMP (Pα-Ade)以及E-His-Pβ, 最后通过磷酸转运结
构域在C端丙酮酸结合域的活化位点将Pβ转移到
丙酮酸上, 形成PEP, 以上各步反应具有可逆性
(Parsley和Hibberd 2006; Chastain等2011)。
在C4植物叶绿体基质中, PPDK大量存在, 而
在C3植物中, 由于PPDK的表达量很低, PPDK的功
能还知之甚少(Edwards等1985; Chastain等2006;
Burnell和Chastain 2006)。PPDK主要存在于C3植
物未成熟种子(小麦、水稻、拟南芥、豌豆、绿
豆、李子、蓖麻等)、根、胚芽鞘和叶片(烟草、
菠菜、向日葵、小麦、水稻等 )中 ( A o y a g i和
Bassham 1984; Parsley和Hibberd 2006)。种子中的
PPDK调控氨基酸代谢和淀粉合成, 而主叶脉中的
PPDK为通过莽草酸途径合成木质素提供PEP。
Kang等(2005)认为PPDK存在代谢补偿效应, 定位
在水稻胚乳细胞质的PPDK可能与籽粒发育早期
的代谢相关, 如自由氨基酸合成、脂肪酸从头合
成以及脂类代谢等。拟南芥子叶中的PPDK将由
氨基酸转化而来的丙酮酸转换成PEP, PEP参与糖
异生等生理生化反应; 而在叶片中的PPDK为花器
官的发生提供N活化的碳骨架(Parsley和Hibberd
2006)。拟南芥叶片细胞质型PPDK对叶片自然衰
老的氨基酸转运过程有重要作用, 该酶可以显著
地加速叶片中N代谢, 从而增加种子的重量和N含
量。其机理可能包括: 由蛋白降解过程中产生的
氨基酸转化为丙酮酸; 由PPDK和PEPC催化形成
PEP和草酰乙酸; 以及通过柠檬酸循环产生谷氨酸
和谷氨酰胺的前体α酮戊二酸(Taylor等2010)。
在缺乏丙酮酸激酶的原生动物Entamoeba his-
tolytica和Bacteroides symbiosus中, PPDK的功能是
催化PEP生成ATP (Reeves 1968; Pocalyko等1990)。
3 植物PPDK活性的调控
在C4光合途径中, PPDK的活性是由光照调控
的, 即在黑暗条件下, 叶片中的PPDK活性下降, 经
光诱导后活性快速恢复(Edwards等1985), 并且
PPDK只受红、蓝光谱活化(Yamamoto等1974)。
光合磷酸化的解耦连剂DCMU可以抑制PPDK的
光活化(Nakamoto和Edwards 1986)。这些证据表
明PPDK的活性可能是由于诸如pH、氧化还原
态、二价阳离子浓度、Pi等叶肉细胞叶绿体基质
的生理变化而改变的(Chastain 2011)。此外, 通过
对经暗适应失活的PPDK在适温孵育后恢复活性
等的研究发现PPDK的活性是通过PPDK调控蛋白
(pyruvate orthophosphate dikinase regulatory protein,
PDRP)进行调控的(Hatch和Slack 1968; Edwards等
1985)。PDRP为低丰度蛋白, 其含量不到玉米叶片
可溶性总蛋白含量的0.04%, 与PPDK同时存在于
叶肉细胞叶绿体基质中(Chastain 2011)。PDRP首
先从玉米的叶肉细胞和维管束鞘细胞的叶绿体中
分离得到(Majeran等2005), 然后从玉米的cDNA文
库中克隆了该基因——RP1 (Burnell和Chastain
2006)。同时C4型PDRP也从拟南芥中得到了克
隆。在拟南芥等十字花科植物中, PDRP由AtRP1
和AtRP2两个基因编码, AtRP1编码定位于叶绿体
的PDRP, 具有和C4型PDRP类似的双重蛋白激酶/
磷酸酶功能; AtRP2编码定位于细胞质的PDRP, 只
有蛋白激酶功能 , 没有磷酸酶功能(Chastain等
2008)。玉米PDRP具有Ser/Thr激酶和磷酸酶活性,
王真梅等: 植物丙酮酸磷酸双激酶(PPDK)研究进展 953
通过对PPDK调控位点Thr-456 (玉米PPDK)的氨基
酸残基进行可逆磷酸化来调控PPDK失活(磷酸化)
和PPDK活化(去磷酸化)。在无光照或者光照减弱
的条件下, PDRP对PPDK的调控位点Thr进行磷酸
化使PPDK失活, 经过暗适应后, 失活的PPDK催化
位点His残基去磷酸化, 只有这种失活状态的PPDK
才能再次被PDRP催化, 使Thr残基去磷酸化, PPDK
活性恢复(图2) (Burnell和Hatch 1983, 1985; Ashton
等1984; Budde等1985; Chastain等2006)。
(Spinacia oleracea)、蚕豆(Vicia faba)、水稻(Oryza
sativa)以及拟南芥(Arabidopsis thaliana)叶绿体中
对胞质型PPDK有类似的光调节机制(Fukayama等
2001; Chastain等2002; Chastain和Chollet 2003)。
虽然这种A D P抑制模型能够很好的解释
PDRP催化可逆反应之间的平衡, 但是还存在一些
问题亟待解决。首先在进化过程中ADP作为磷酸
基团的供体是严格被避免的, 为何在C4植物中保留
了ADP介导的磷酸化失活(Edwards等1985)。其次
需要更精确的C4叶肉细胞质中腺苷酸浓度的证
据。此外PDRP蛋白的双向调控与PPDK失活后磷
酸基团仍然存在于PPDK的His催化残基上有关, 但
暗适应可以使磷酸化的PPDK迅速去磷酸化, 这种
快速去磷酸化是如何发生的还未知。由于PDRP
从C4叶片分离出来后的不稳定性, 其转录后调控机
制的研究还不明朗。目前还没有间接证据表明
PDRP有转录后调控(如可逆磷酸化)或者是由内源
因子(如胞质pH)调控的(Chastain 2011)。
在CAM植物中, PPDK基因的表达同样受光
照调节, 在光活化的仙人掌(Opuntia ficus var. indi-
ca)的扁平叶状茎中, PPDK的表达具有12 h的光周
期性, 即PPDK的相对表达量随着昼夜变化呈12 h
的正弦曲线型波动(Mallona等2011)。
4 植物PPDK在胁迫下的功能
C4型PPDK在低温、UV-B、高盐等胁迫条件
PDRP对PPDK的调控可以用ADP抑制模型解
释(图3): PDRP有两个催化位点, 一个是蛋白激酶
催化位点, 一个是蛋白磷酸酶催化位点, ADP与
PDRP蛋白激酶活化位点结合会抑制其磷酸酶活
性, 此时PDRP行使蛋白激酶功能, 将ADP上的Pi转
移到PPDK上, 使PPDK磷酸化; 反之, ADP与PDRP
蛋白激酶活化位点的解离使磷酸酶活性恢复, 此
时PDRP行使磷酸酶功能, 催化PPDK去磷酸化。
ADP在作为PDRP底物的同时还是PDRP催化反应
的底物, 于是产生了竞争性抑制。PDRP的催化方
向取决于细胞质中ADP的含量。在光强减弱的条
件下, 光和磷酸化作用减弱, 胞质中ADP的含量升
高, 促使PDRP催化PPDK磷酸化; 而在光照条件下,
活跃的光合磷酸化消耗了基质中的ADP, 促使
PDRP催化PPDK去磷酸化。PDRP在C3植物菠菜
图3 PDRP对PPDK调控的ADP抑制模型
Fig.3 Model for ADP-as-attenuator of PDRP regulating
PPDK activity
参照Chastain (2011)文献略有改动。
图2 光/暗介导的PPDK可逆磷酸化
Fig.2 Light/dark mediated reversible phosphorlation of PPDK
参照Edwards等(1985)文献略有改动。Thr为PPDK的调控位
点, His为PPDK的催化位点。PDRP对PPDK的调控是通过对PPDK
调控位点Thr进行可逆磷酸化来实现PPDK失活(磷酸化)和PPDK
活化(去磷酸化)。
植物生理学报954
下的作用已有初步研究(Doubnerova和Ryslava
2011)。玉米PPDK在温度低于12 ℃时失活, 可能
是由于四聚体的解聚造成的, PPDK的失活可能是
低温下玉米光合速率降低的原因(Ohta等2004)。
高大苇子草(Miscanthus×giganteus)是一种C4型生
物能源作物, 在寒冷气候下光合作用仍维持较高
水平, 这使其生长周期延长, 保证了较高的生物产
量。对高大苇子草和C4植物玉米进行低温(14 ℃)
和适温(25 ℃)处理, 经过比较发现, 和玉米维持C4
高光效的酶不同, 高大苇子草C4光合途径中的限速
酶PPDK对维持高大苇子草在低温下的光合效率
起主要作用。在低温下, PPDK转录水平和PPDK
酶浓度的提高增加了PPDK的活性稳定性(Wang等
2008)。Casati等(2005)首次发现在UV-B胁迫下, 玉
米PPDK的Thr-526残基发生了磷酸化。PPDK在阳
光UV-B辐射及补充UV-B辐射的条件下表达量上
升, 但是在温室中补充UV-B, 其表达量下调。这种
复杂的蛋白响应机制暗示了光质和光量在光合作
用酶活性的调控中发挥重要作用。用250 mmol·L-1
的NaCl对两种不同基因型玉米在苗期进行盐胁迫,
发现NaCl增加了杂交品种‘Hybrid351’中PPDK的
含量, 降低了‘Giza2’中PPDK含量。对PPDK活性
分析发现, 在处理的前2 d, NaCl显著地抑制了
PPDK活性, 但是在杂交品种中这种抑制作用消失
(Nemat Alla和Hassan 2011)。而Omoto等(2012)同
样对苗期玉米进行了盐渍处理, 叶肉细胞中PPDK
的活性却显著增强。
目前, 胞质型PPDK与胁迫的关系也有报道,
主要集中在低氧、缺水、高温及生物胁迫。脱落
酸、聚乙二醇以及淹水显著地增加了水稻根中
PPKD的表达。在ABA诱导下, 水稻根中产生胞质
型PPDK。苗期水稻在干旱、低温、高盐以及甘
露醇等缺水胁迫下同样在根中诱导PPDK产生。
在低氧胁迫如淹水培养的水稻幼苗根和胚芽鞘、
无氧环境培养的黄化水稻幼苗中 , 都可以诱导
PPDK合成。而在水稻光合组织中则不会产生胞
质型PPDK。低氧胁迫在增加了PPDK活性的同时,
乙醇脱氢酶I、磷酸羧化酶和苹果酸脱氢酶的活性
也得到了增强, 说明胞质型PPDK参与了水稻缺水
和低氧胁迫下的代谢应答(Moons等1998)。缺氧条
件诱导了水稻胚芽鞘中PPDK的大量合成, 其功能
可能是与丙酮酸激酶协同作用催化ATP产生PPi,
能量以PPi的形式穿过液泡膜进行转运, PPi是蔗糖
合酶催化蔗糖水解必需的, PPi还加速了糖酵解过
程 , 这些生理反应是水稻胚芽鞘对缺氧的适应
(Huang等2005)。高温胁迫下水稻籽粒中胞质型
PPDK的转录水平下调(Yamakawa等2007)。Li等
(2011)对不同高温下水稻籽粒蛋白质组分析同样
表明: 高温下PPDK的表达受到抑制; 此外, PPDK
同源异构体表达量与垩白度呈负相关, 但高温下
PPDK的减少是如何引起垩白的机制尚不清楚。
C3植物烟草(Nicotiana tabacum L.)在分别感染Po-
tato virus Y (PVY)和Potato virus A (PVA)病毒后叶
片PPDK的活性增强, 其中感染PVY后PPDK活性
增强2~3倍(Ryslava等2003)。烟草在感染Potato vi-
rus Y (PVANTN)病毒后叶片PPDK的活性也增强。
这可能是由于在非生物胁迫条件下, 通过补偿代
谢改变了基本代谢通路, 保证了植物的生命活动,
PPDK作为补偿代谢的关键酶在这一过程中起到
了重要的作用(Doubnerova等2007)。
5 PPDK基因工程研究进展
C4植物光合产量比C3植物一般高1.5~2倍, 因
此, 研究者希望借助于基因工程手段将C4循环引入
到C 3植物中 , 从而增加C 3植物的产量 ( J i a o等
2002)。C3植物与C4植物的区分不是绝对的, 在同
一物种中可能同时存在C3和C4两种光合途径(魏松
涛等2008)。如一种两栖植物黑藻(Hydrilla ver-
ticHlata)在冬季进行C3代谢, 而在夏季水生条件下
则进行C4代谢(Magnin等1997)。在Flaveria属中既
有C3植物, 也有C4植物, 还有介于C3和C4之间的种
类(Rosche等1998)。C4藜科(Chenopodiaceae)植物
Bienertia cycloptera和Borszczowia aralocaspica可
以在一个细胞内完成C4光合作用, 说明即使没有C4
植物叶肉细胞特有的花环状结构, 植物也能进行C4
光合循环, 这为通过基因工程提高C3光合效率提供
了理论依据(Edwards等2004)。PPDK作为C4光合
途径CO2同化作用的关键酶, 是通过基因工程手段
提高光合效率的目标基因之一。目前已经有研究
者对C3植物烟草、水稻和拟南芥等的转PPDK基
因进行了尝试。
在导入完整的玉米PPDK基因后获得的高表
达PPDK水稻植株中, 与野生型相比, PPDK占叶片
王真梅等: 植物丙酮酸磷酸双激酶(PPDK)研究进展 955
总可溶性蛋白的比例以及叶片总N含量均比野生
型要高, PPDK的活性大大增加, 与野生型相比甚
至提高了40倍(Fukayama等2001)。此外, 袁莉民等
(2006)将C4光合循环关键酶基因转入水稻中, 获得
了转PPDK基因的水稻植株以及同时转PEPC (磷
酸烯醇式丙酮酸羧化酶的编码基因)和PPDK基因
的水稻植株。转基因的水稻叶片光合器官结构得
到改善: 转入PPDK单基因的水稻叶片气孔密度
高、面积大; 转入双基因的叶片气孔密度高, 但是
面积小。转基因水稻叶片叶肉细胞的叶绿体基粒
更加密集、类囊体结构更完整、有序。叶鞘维管
束结构发达, 这些结构和形态上的优势与秧苗的
高干物质积累量一致, 说明通过转基因手段实现
水稻高光效是可能的。张建福等(2006a, b)对籼稻
‘明恢63’和‘IR64’进行了转玉米PPDK基因研究, 通
过对光合性状和产量性状的分析表明, 转基因植
株在温室条件下促进了N的吸收和同化, 在一定程
度上提高了植株的收获指数。在拟南芥衰老阶段
超量表达PPDK可以加速叶片中的氮活化, 从而加
速植株生长以及种子的重量及氮含量, 从而延缓
衰老(Taylor等2010)。但是转PPDK基因植株的高
光效是否与高产及高品质相关还有待研究。
同时, 超量表达PPDK是否能增强植物对逆境
的耐受性仍然存在疑问。为了增强玉米PPDK的
耐冷性, Ohta等(2004)从F. brownii中分离到了耐冷
的PPDK cDNA, 与F. bidentis的启动子融合, 导入
到玉米中。在转基因玉米叶片中产生了耐冷的同
源四聚体PPDK以及耐冷性较差的异源四聚体
PPDK。同时导入的玉米PPDK反义基因可以使外
源与内源PPDK的比例升高。但是该转基因玉米
的光合作用是否增强还有待验证。此外, PPDK在
C3植物中的非光合功能还没有明确, 这种转基因方
法是否适用于其他植物还有待研究。
6 小结
从PPDK发现至今, PPDK的分子特性和调控
机理研究已经取得了重要进展。由于光合作用是
作物产量形成的基础, C4植物的高光合效率成为研
究者关注的热点, 他们希望将C4光合途径导入C3植
物中, 提高C3作物如水稻的光合效率, 从而达到增
加作物产量的目的。PPDK作为C4光合途径的关
键酶, 目前已经有了基因工程的尝试, 但是这种转
C4 PPDK基因的C3植物的光合效率以及产量是否
能真正提高还有待研究。此外, PPDK还存在非光
合作用, 逆境胁迫下PPDK的表现为其非光合功能
的阐明提供了线索。今后的研究方向除了继续通
过基因工程的手段将C4途径的关键基因(如phos-
phoenolpyruvate carboxylase, PEPC, 磷酸烯醇式丙
酮酸羧化酶; NADP-malic enzyme, NADP-ME,
NADP-苹果酸酶等)导入到C3作物以提高作物光合
效率外, 还将继续探明PPDK的非光合功能。
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