全 文 ：植物生理学通讯 第43卷 第1期，2007年2月 9
细胞色素P450与除草剂代谢
朱剑，余潮，阎新，官杰，朱友林*
南昌大学生命科学学院江西省分子生物学与基因工程重点实验室，南昌330047
Cytochrome P450 and Herbicide Metabolism
ZHU Jian, YU Chao, YAN Xin, GUAN Jie, ZHU You-Lin*
Jiangxi Key Laboratory of Molecular Biology and Gene Engineering, College of Life Sciences, Nanchang University, Nanchang
330047, China
提要：细胞色素P450是广泛存在于生物中的一类具有混合功能的血红素氧化酶。P450对除草剂代谢的机制及反应类型
是多样的，与除草剂代谢相关的P450基因的植物转基因研究得到了具有不同除草剂抗性的转基因植物。文章就这方面的
研究进展作介绍。
关键词：细胞色素P450；除草剂代谢；转基因植物
收稿 2006-08-24 修定　 2007-01-04
资助　 江西省科技厅攻关项目(赣科技字 2000-8 号)和江西省
教育厅重大项目(赣教技字 2005-47 号)。
* 通讯作者(E-mail：ylzhu1999@yahoo.com.cn；Tel：
0791-3969521)。
细胞色素P450 (cytochrome P450，P450)是
广泛存在于生物中的一类具有混合功能的血红素氧
化酶。它是一个古老的基因超家族，大约起源于
35亿年前，是由一个基因经过复杂的生物进化历
程产生的血红素蛋白基因家族的集合，称之为细
胞色素 P450 基因超家族(cytochrome P450
superfamily) (Omura 1999)。由于它具有多样化的
催化机制和功能，自发现以来一直是研究的焦点
之一(Porter和Coon 1991)。
P450在植物的次生代谢中有非常复杂而广泛
的功能。P 4 5 0 可以通过合成黄酮类、香豆素、
生物碱等抑制昆虫、微生物和病毒对植物的侵害
(Schuler 1996)，从而到达植物保护的作用。P450
在用于癌症治疗的紫杉醇的合成过程中，20多个
步骤中至少有 9 个步骤是它所介导的氧化反应
(Chau等2004)。P450还可对植物体内的外源有毒
物质如杀虫剂、杀草剂等进行修饰，解除其对植
物体的毒害作用(Schuler 1996)。现代农业生产
中，除草剂的广泛使用促进了抗除草剂P450基因
的挖掘和利用的研究，本文就这方面的研究进展
作一介绍。
1 P450及其催化反应机制
生物中P450的种类多样。低等生物一般只有
几种 P 4 5 0 ，例如，研究较深入的浅灰链霉菌
(Streptomyces griseolus)有 2种 P450：P450U1
(CYP105A1)和 P450U2 (CYP105B1) (Romesser和
O’Keefe 1986)。高等生物中P450种类则多于低等
生物。动物中有80多种 P450，植物中的P450 则
多达几百种。拟南芥和水稻的测序和生物信息学
分析表明，拟南芥有 246 个基因序列为功能预测
或已经证实为P450的基因和26个假基因(Paquette
等 2000)，而水稻中则有356个 P450基因以及99
个相关的假基因。植物中P450的基因数目约占整
个基因组基因数目的1% (Nelson等 2004)。
P450蛋白在原核生物中是可溶性蛋白，易于
分离纯化。在真核生物中，它常常通过 N 端的疏
水序列或者疏水环结合于线粒体内膜或内质网膜
上，因此真核生物 P450 蛋白的分离纯化非常困
难。植物 P450 蛋白具有含量低、不稳定等特点，
同时细胞壁不易破碎，加上酚类物质和色素(叶绿
素、类胡萝卜素)等干扰物质含量高，蛋白水解
酶、脂肪酶、过氧化物酶等水解酶活性高，使
得植物P450 蛋白的分离尤为困难(Durst 1991)。
目前，只有几种植物的几种P450蛋白得到了分离
纯化，并成功在体外和 NADP H 结合，从而形成
NADPH: P450还原酶。Benveniste等(1989)从玉
米、马铃薯、鳄梨树、荆棘、郁金香和韭葱中
分离纯化的 P450，分子量为 45~65 kDa；Koch
和Grisebach (1989)测定大豆和毛地黄的NADPH:
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P450还原酶分子量分别是74和80 kDa；Topal等
(1993)纯化并首次证实郁金香的2种分子量分别为
52.4和54.5 kDa的P450可在体外催化代谢除草剂
2,4-D。
P450必须与一系列相关蛋白组成多酶复合体
才可以发挥氧化功能。这种P450酶系复合体是由
P450、细胞色素 b5、黄素蛋白 -NADPH-P450 还
原酶和磷脂等组成的，它们共同组成电子传递体
系(图 1)，催化的总反应为
RH+NADPH+ H ++O 2 → ROH+NADP ++H 2O
反应中，R H 是底物，R O H 是氧化产物。P 4 5 0
为整个酶系中的末端氧化酶，其催化的反应是激
活一个氧分子，并将其中的一个分子氧插入到底
物中，同时还原另一个分子氧而形成水分子，所
以又称为单加氧酶。它不仅起活化氧分子作用，
同时还与底物结合决定催化反应中底物的专一性。
因此，P450 在整个酶系的功能发挥中起关键作
用。
2 P450对除草剂的代谢机制和反应类型
2.1 P450对除草剂的代谢机制 一般情况下，植物
对除草剂的抗性是由于植物本身具有代谢这些除草
剂的能力。在植物体内，通过代谢作用 — 缀合
作用—分离3个阶段完成除草剂全部代谢过程(图
2)，从而解除除草剂的生物活性(苏少泉 2003)。
第一阶段是植物进行除草剂代谢最重要的阶段，
通过官能团如— O H、— NH 2、— S H、— CO O H
的引入促使除草剂活性下降和极性增强，因而其
进一步代谢得以容易进行。在这一阶段中，P450
因其有多样化的催化机制，所以可对不同类型的
除草剂通过脱烷基化和(或)羟基化等作用进行修饰
(向文胜等1997)。
不同植物的P450对同一种除草剂有不同的代
谢能力，这是由于P450对除草剂的代谢有多种途
径造成的。Sterling和Balke (1990)报道，P450催
化代谢除草剂苯达松时，在大豆的悬浮细胞培养
细胞系中苯达松的 6 位和 8 位被羟基化，并迅速
和葡萄糖分子共轭合而解毒(图2) ；水稻中仅测定
到苯达松的 6 位被羟基化，而后和葡萄糖分子轭
合。除草剂绿麦隆(chlortoluron)在不同植物中的
代谢也很好地说明了这一情况：对抗性杂草婆婆
纳(Veronica persica)来说，其半衰期小于6 h，代图1 P450酶系的结构(Durst 1991)
图2 除草剂苯达松的代谢过程(向太和等2004)
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谢为叠氮脱甲基产物；对其有一定抗性的冬小麦
中，其半衰期小于24 h，代谢为环甲基羟基化产
物；对其敏感的杂草看麦娘( A l o p e c u r u s
myosuroides)中，其半衰期大于24 h，代谢为对
植物有毒害作用的一氮脱甲基产物( W e r c k -
Reichhart等2000)。体外实验对除草剂代谢的研
究丰富了人们对除草剂代谢机制的认识，对新除
草剂的开发可能有指导意义。
2.2 P450催化除草剂代谢的反应类型
2.2.1 脱烷基化作用 最先证明植物P450具有除草
剂抗性来自于含有P450的微粒体代谢除草剂的体
外实验，多数种类的除草剂被代谢为羟基化的烷
烃、苯环或 N-、S-、O- 化的脱烷基产物以及它
们的糖缀合物(Werck-Reichhart等2000)。Frear等
(1969)最先报道棉花幼苗微粒体片段中的混合功能
氧化酶对灭草隆(monuron)的代谢有作用，这为植
物P450 酶系参与除草剂的代谢提供了直接证据。
Cabanne等(1987)报道，小麦P450催化除草剂绿
麦隆和异丙隆(isoproturon)在小麦植株体内代谢成
N-脱烷基产物，2种除草剂和P450抑制剂1-氨基
苯并三唑(1-aminobenzotriazole，1-ABT)混合处理
小麦幼苗后，它们的N-脱烷化产物明显比单用除
草剂的少。Burnet等(1993)在研究黑麦草P450催
化三氮苯类除草剂西玛津时，证实其代谢产物为
N-脱乙基化合物，70 mmol·L-1的 1-ABT显著抑制
P450 对西玛津在黑麦草体内的代谢。
2.2.2 羟基化作用 羟基化可分为环甲基羟基化和
芳环的羟基化。环甲基羟基化作用是位于苯环上
的甲基基团被氧化生成相应的醇。在小麦、大麦
和玉米这些对绿麦隆表现出抗性的作物中，其主
要通过环甲基羟基化作用和N-脱甲基化作用代谢
绿麦隆，而P450 酶系参与对绿麦隆环甲基羟基化
作用似乎对除草剂的选择性和抗性更为重要(Inui
等 1999；张山等2004)。关于芳环的甲基化则报
道更多。Christopher等(1994)证实，杀虫剂马拉
硫膦显著抑制黑麦草的一种异构体P450酶，马拉
硫膦用量为1 kg·hm-2时，这种抗性杂草的半致死
碌磺隆用量从29.315 kg·hm-2降到8.416 kg·hm-2。
Topal等(1993)第1次以除草剂2,4-D为郁金香2种
P450 酶的底物，直接证实这2种酶催化2,4-D 羟
基化代谢。Romano 等(1993)报道，P450 抑制剂
TC (telcyclacis)和TF (tridiphane)强烈抑制除草剂禾
草灵和威霸在小麦和大麦体内的羟基化代谢，谷
光甘肽-S-转移酶也参加整个除草剂的代谢过程。
Inui等(2001)对人CYP2C9 基因的水稻转基因研究
的结果表明，转基因水稻代谢绿磺隆和唑吡嘧磺
隆是通过芳环的羟基化作用进行的，代谢分别产
生羟基化绿磺隆和羟基化唑吡嘧磺隆，然后与葡
萄糖形成轭合物，从而降低这 2 种除草剂对水稻
的毒性。
2.2.3 脱硫氧化作用和催化酯键断裂 相对来说，
生物体内催化脱硫氧化作用和催化酯键断裂的除草
剂代谢反应较少。Inui等(2000)报道，人肝脏来
源的CYP2C19基因能够通过O-脱甲基化和硫代氨
基甲酸酯键的裂解而代谢稗草畏的。红平红球菌
(Rhodococcus erythropolis) K2-3的P450 (PB21)能
催化苯氧丁酸酯类除草剂 2 , 4 - D B 酯键的断裂
(Strauber等2003)。
3 抗除草剂P450基因的克隆与植物转基因
培育具有除草剂抗性的作物品种是现代农业
生物技术的一个重要目标，实现这一目标的前提
是对除草剂抗性机制的了解和对除草剂具有代谢功
能的基因的克隆。近些年来，人们已从不同的生
物体中分离鉴定了一些对除草剂具有代谢功能的
P450 基因，并开始培育抗除草剂转 P450 基因植
物的研究。将 P450 基因转入到植物中，从而培
育具有代谢除草剂的转基因植物，可以扩大和提
高生产中除草剂的应用范围和高效性，还可以用
于除草剂污染地区的植物净化(phytoremediation)，
以降低土壤或水体中农药的残留(邱星辉和冷欣夫
2002)。在抗除草剂 P450 转基因植物的研究中，
不同物种来源的P450基因已得到广泛的应用。下
面分类进行介绍。
3.1 细菌抗除草剂 P450 相对于动植物而言，细
菌 P450 的种类少很多。有研究认为，细菌 P450
很少是细菌必需的，而是与其抵抗逆境胁迫和消
除有毒物质的危害有关系。人们已从细菌中克隆
到了几个除草剂抗性的P450，例如Nagy等(1995)
在红球菌(Rhodococcus sp.)菌株NI86P21中发现了
参与硫代氨基甲酸酯类除草剂菌达灭(S-ethyl
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dipropylcarbamothioate，EPTC)和三氮苯类除草剂
莠去津降解的P450基因；Strauber等(2003)在红
平红球菌(Rhodococcus erythropolis) K2-3中发现了
能够催化苯氧丁酸酯类除草剂2,4-DB的酯键裂解
的 P450 基因。
细菌中研究比较清楚的抗除草剂P450是浅灰
链霉菌(Streptomyces griseolus)的 P450U1
(CYP105A1)，早期的研究证明其具有磺酰脲类除
草剂的代谢活性，它的代谢产物与植物代谢这些
除草剂的产物相同，这为植物转基因的研究提供
了依据。O’Keefe等(1994)将 P450U1导入烟草并
得到表达，但在除草剂代谢活性研究中发现，此
种基因只有在叶绿体中表达后才能表现出对磺酰脲
类除草剂 R7402 的脱烷基化催化活性。R7402 的
代谢产物对植物会产生剧毒，当 P450U1 在整株
中表达时，用外源的 R7402 处理即会导致整株死
亡。P450U1在绒毡层特异启动子控制下只能在绒
毡层组织中表达，如果此时用 R7402 处理未成熟
的花，则会产生雄性不育。因此 P450U1-R7402
体系不仅可用作负选择性标记鉴别转基因植物，
而且通过此途径还可培育植物雄性不育系供植物杂
交制种用，这在植物杂种优势利用中有重要价值
(O’Keefe等 1994；杨致荣等2003)。值得指出的
是，最近有报道认为 P450U1 对维生素 D 有代谢
作用，这显示P450 催化反应是多样化的(Sawada
等 2004)。
3.2 动物抗除草剂P450 肝脏微粒体P450是动物
对有毒物质代谢起主要作用的酶类，它们可以通
过氧化作用代谢多种类型的有毒物质，其中也包
括除草剂。据报道，存在于人肝脏里面的 11 种
P450 蛋白(CYP1A1、CYP1A2、CYP2A6、CYP2B6、
C Y P 2 C 8、C Y P 2 C 9、C Y P 2 C 1 8、C Y P 2 C 1 9、
CYP2D6、CYP2E1 和 CYP3A4)几乎覆盖了 90% 依
赖 P450的有毒物质代谢作用(Funae等 1998)，它
们对不同类型除草剂同样表现出代谢作用。不仅
如此，在单个P450基因转基因的研究中发现，单
个 P450 蛋白对多种类型除草剂表现出交叉抗性。
最为典型的是，CYP1A1、CYP2B6、CYP2C9 和
CYP2C19 可分别代谢 14、11、7 和 7 种不同类型
的除草剂(Ohkawa 2001)。
在动物 P450 研究中，CYP1A1 的作用很重
要。人、小鼠和猪的 CYP1A1 都可在植物中得到
表达，并对多种除草剂表现出交叉抗性。转基因
研究的 C Y P 1 A 1 是始于小鼠，I n u i 等以小鼠
CYP1A1对烟草(Inui等1998)和马铃薯(Inui等1999)
进行转基因分析的结果表明，转基因植株对几种
不同种类的除草剂表现出交叉抗性。Inui等(1999)
报道，表达人 CYP1A1 基因的转基因马铃薯对绿
麦隆、莠去津、嘧草醚、甲基苯噻隆和达草灭
可表现出交叉耐受性。但 Yamada 等(2002b)发
现，转入鼠 CYP1A1 基因的马铃薯对达草灭则不
表现出耐受性，他们认为这可能是鼠的 CYP1A1
代谢达草灭的活性比人 CYP1A1 和鼠肝脏中其他
P450 的低。这也说明，来源于不同哺乳动物的
P450 酶系代谢除草剂的活性存在着差异。在其他
一些P450的转基因研究中也得到了一些有意义的
结论。Hirose等(2005)对人CYP2B6，Kawahigashi
等(2005)对猪 CYP2B22 和 CYP2C49 的水稻转基因
研究的结果表明，转基因水稻对更多种除草剂表
现出比非转基因株更强的代谢作用，这对培育开
发除草剂耐受性水稻和减少农用化学品对环境的影
响来说是很有意义的。
为了得到对更多的除草剂具有代谢作用的转
基因植株，将多个P450基因共同进行植物转化是
一种很好的思路。Inui等(2000)的研究表明，同
时表达 CYP1A1、CYP2B6 和 CYP2C19 的转基因
马铃薯不仅对各自所对应的除草剂具有耐受性，
而且也只有同时转入3种 P450基因后才表现出对
稗草畏有较强的耐受性。他们认为，这可能是由
于稗草畏经CYP2C19代谢后，再经CYP1A1 和(或)
CYP2B6进一步代谢造成的。Kawahigashi等(2006)
进一步研究的结果表明，同时表达 C Y P 1 A 1 、
CYP2B6 和 CYP2C19 的转基因水稻可表现出与3种
除草剂共同转入马铃薯后对多种除草剂的代谢能力
相似。随着公众对转基因产品的认可，此种转基
因水稻有可能进入商品化生产，这对除草剂耐受
性品种的选育和环境污染物的消除是意义重要的。
由于P450代谢体系不仅需要作为末端氧化作
用的 P 4 5 0 氧化酶，而且其氧的传递还包括
NADPH-P450 还原酶等其他成分，因此同时转化
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NADPH-P450 还原酶，代谢效率将可能得到进一
步提高。家蝇 C Y P 6 D 1 转基因的分析表明，
NADPH-P450还原酶在不同物种中也有非常高的保
守性，这为异源转化P450氧化酶和还原酶的融合
蛋白提供了理论依据(Korytko等2000)。Shiota等
( 1 9 9 4 )研究烟草中表达小鼠 C Y P 1 A 1 和酵母
NADPH-P450 还原酶的融合蛋白的结果表明，此
种融合蛋白定位于微粒体上，其代谢7-二氧基香
豆素和苯并芘的能力比未转基因的植株高约 1 0
倍。这说明在融合蛋白中高效的电子转移可使其
代谢除草剂的能力得到加强。Shiota等(1996)用标
记14C的绿麦隆的实验表明，融合蛋白转化株和非
转化株吸收和转移绿麦隆并无多大区别，但融合
蛋白转化株可产生非转化株所没有的4-羧基苯基
类代谢产物。这进一步显示，融合蛋白转化株对
更多种和更大量的除草剂可能有代谢作用。
为了使转基因抗除草剂植物得到更好的应
用，研究如何改造其表达特性很有意义。用马铃
薯未成熟块茎特异性表达启动子(patatin class-I
promoter)表达P450基因可使其在未成熟块茎中特
异性表达，Yamada 等(2002a)构建的块茎中特异
性表达小鼠 CYP1A1 的转基因马铃薯，其代谢除
草剂等环境污染物的能力比非转基因的得到了加
强，而且由于特异性启动子的加入，降解存在于
土壤中的有毒污染物质也就更有针对性。有人根
据苯并噻二唑(benzothiadizole，BTH)特异性诱导的
启动子(烟草 PR1a 启动子)和小鼠 CYP1A1 的组合
进行转基因的结果认为(Yamada 等 2002b)，转基
因烟草表达CYP1A1 的活性受 BTH 的调控，这样，
转基因植株在应用过程中可能更具有可控制性。
3.3 植物抗除草剂P450 植物中抗除草剂P450基
因的克隆和异源转化研究较晚，1993 年第 1次从
植物中得到了具有除草剂抗性的 P 4 5 0 基因
(CYP73A1)。它是从向日葵(Helianthus tuberosus)
中得到的，对其进行酵母的异源表达显示它有催
化绿麦隆的环甲基羟基化作用。但在活体(in vivo)
情况下，其代谢的主要产物是脱甲基绿麦隆。这
说明在植物体 CYP73A1 内对绿麦隆的代谢只有很
小的作用(Pierrel等1994)。
植物中具有除草剂抗性的P450比动物P450具
有更严格的底物专一性，一般很少会对几类除草
剂表现出交叉抗性，但对催化底物的专一性来
说，代谢效率可能得到提高。有人从大豆 cDNA
文库中筛选到一个能够特异性代谢苯基脲类除草剂
的P450 (CYP71A10)，其代谢活性比其野生株型
有明显增加(Siminszky等1999)。Yamada等(2000)
将从 2 , 4 - D 诱导的烟草中分离的 C Y P 8 1 B 2 和
CYP71A11 转入酵母中表达的结果，证明CYP81B2
和CYP71A11 分别是通过环甲基羟基化作用和 N-
脱甲基化作用催化绿麦隆代谢的。
与哺乳动物中共表达 P 4 5 0 还原酶相似，
Siminszky等(2003)以大豆CYP71A10和大豆中的一
个P450还原酶共同构建表达载体并进行烟草转基
因分析的结果表明，此种转基因烟草与只转化
CYP71A10 的转基因烟草相比，其苯基脲类除草
剂的代谢能力增强 20%~23%。这些和转化哺乳动
物P450 氧化酶和还原酶的融合蛋白的结果表明，
在P450酶系中电子链传递的协同效应对整个酶系
的作用更大。但并不是所有的融合蛋白都能发挥
出高效的代谢活性。如从向日葵中克隆的具有诱
导表达活性的 CYP76B1，能够催化和促进苯基脲
类除草剂的快速氧化脱烷基作用而对其解毒
(Didierjean等2002)。以CYP76B1和P450还原酶
的融合蛋白进行转基因的结果表明，融合蛋白对
除草剂的代谢能力反而比单独的 CYP76B1 转基因
低很多。这暗示融合蛋白表达中蛋白的稳定性很
可能下降，因而其活性降低(Didierjean等2002)。
4 结语
在抗除草剂转基因作物的应用中，动物P450
基因发挥了重要的作用。来源自动物肝脏的P450
基因(Funae等1998)已经成功构建了多种具有除草
剂抗性的作物品种，它们在研究P450对除草剂的
作用机制和抗除草剂P450基因、蛋白的特性中已
得到广泛的应用。迄今，植物抗除草剂 P450 基
因中只有少数几种得到分离鉴定，并且已经分离
鉴定的抗除草剂P450基因分散在多个作物不同基
因家族中，因而分离克隆新的植物P450基因已成
为当前研究的热点之一。随着拟南芥和水稻基因
组序列的揭示，DNA 序列水平的分析将成为获得
植物抗除草剂 P450 基因的重要手段。
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目前，转基因作物的产业化也是社会关注的
热点。研究抗除草剂P450基因的转基因植物，一
方面可以在农业生产中更高效和环保地利用除草
剂，培育具有多种除草剂抗性的作物，从而可以
更好地杀灭杂草，并防止杂草的抗性增强；另一
方面，培育此类转基因植物在除草剂污染区域的
生物修复中可能也有一定的应用前景。
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