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植物芥子油苷代谢与硫营养



全 文 :植物生理学通讯 第 43卷 第 6期,2007年 12月 1189
植物芥子油苷代谢与硫营养
朱凤羽,陈亚州,阎秀峰 *
东北林业大学生命科学学院,哈尔滨 150040
Plant Glucosinolate Metabolism and Sulfur Nutrition
ZHU Feng-Yu, CHEN Ya-Zhou, YAN Xiu-Feng*
College of Life Sciences, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
提要:文章简要介绍芥子油苷积累、代谢及其防御作用受环境供硫水平调控的研究进展。
关键词:芥子油苷;代谢;硫营养
芥子油苷是一类含硫、含氮的植物次生代谢
产物,主要分布于白花菜目十字花科植物(Rodman
1991)。芥子油苷及其降解产物具有多种生化活
性,近年来人们更多地关注芥子油苷代谢与植物
生存环境的相互作用以及与其它物质代谢途径的关
系(Smolen和 Bender 2002;Mikkelsen等 2002)。当
植物受动物取食或遭到病原体侵染后,芥子油苷
在其水解酶——黑芥子酶(myrosinase)的作用下,
可生成一系列活性物质。这些活性物质在植物防
御昆虫、草食动物的侵袭(Renwick等 1992)以及
植物与微生物(T ie rens 等 2 0 01 )、植物与植物
(Campbell 1959;Bell和Muller 1973)的相互作用等
诸多过程中都起作用(Bones和 Rossiter 1996;
Verpoorte 2000)。同时,非生物环境如温度、光
照、水分、CO2浓度以及硫营养等通过调控植物
的生理生化反应直接或间接影响芥子油苷的积累与
代谢过程(Farnham等 2004)。本文主要从芥子油
苷积累、代谢以及其防御作用受环境供硫水平调
控这一角度介绍此领域的研究进展。
1 芥子油苷代谢与硫还原同化的关系
硫元素是甲硫氨酸(Met)、半胱氨酸(Cys)、
谷胱苷肽(glutathion,GSH)、维生素等物质的组
成成分,在植物的整个生命过程中均有作用。高
等植物对硫的摄取主要是通过根系从土壤中吸收无
机硫盐(主要是硫酸盐)实现的(Saito 2004)。无机
硫酸盐进入植物体后,先经过硫还原同化形成半
胱氨酸,再经一系列转化生成甲硫氨酸等含硫化
合物(Leustek和 Saito 1999;Saito 2000;Kopriva
和 Rennenberg 2004)。对需硫量较大的十字花科
植物来说,硫除了可用来合成含硫氨基酸和含硫
蛋白质以外(Leustek和 Saito 1999),还是次生代
谢产物——芥子油苷合成的原料(Hesse和Hoefgen
2003)。
芥子油苷是一类含硫量很高的化合物,常被
认为是硫营养物质的库(sink) (Van der Kooij等
1997),其合成过程伴随着硫的同化。因此,芥
子油苷的合成也被认为是植物储硫过程。芥子油
苷合成途径(图1)可大致分为氨基酸侧链延长(侧链
延长反应)、核心结构合成和次级修饰 3个阶段。
氨基酸或氨基酸侧链延长同源物可经由细胞色素
P450 (CYP450)家族的CYP79s (CYP79 subfamily)和
NADPH催化转变为相应的肟(oxime)。肟形成之
后,被CYP83s (CYP83 subfamily)和NADPH催化
产生不稳定的酸式硝基化合物(aci-nitro compound)
或氧化腈(nitrile oxide)。二者均可与硫供体——半胱
氨酸(Cys)结合,在谷胱甘肽硫转移酶(glutathione-S-
transferase,GST)作用下生成 S-烷基硫代氧肟酸
(S-alkythiohydroximate),继而在 C-S裂解酶(C-S
lyase)的催化下生成硫代肟基酸(thiohydroximate),
后者再经 S-葡萄糖基转移酶(S-glucosyltransferases,
S-GT)催化在 S端加上葡萄糖基,形成脱硫芥子油
苷(desulphoglucosinolate)。脱硫芥子油苷在磺基转
移酶(sulfotransferases,ST)作用下,与活化硫酸
盐—— PAPS (3’-phosphoadenosine 5’-phosphosulfate)
收稿 2007-08-16 修定 2007-11-01
资助 国家自然科学基金海外青年学者合作研究基金(30528013)、
国家自然科学基金(30670325)和新世纪优秀人才支持计
划(N CET -05 -0 328 )。
* 通讯作者(E-ma il:xfyan@ma i l.hl . cn;T el:04 51 -
8 2 1 9 0 0 5 2 )。
植物生理学通讯 第 43卷 第 6期,2007年 12月1190
的磺基结合形成芥子油苷核心结构。核心结构再
经羟基化、甲基化、去饱和化、磺化、葡萄糖
基化等各种次级修饰形成不同的芥子油苷(Mithen
2001;Halkier和Gershenzon 2006;Grubb和Abel
2006)。
硫还原同化产物(如Met、Cys、PAPS)可直接
作为芥子油苷合成的原料。因此,在缺硫条件下
植物体内M et、C y s 和 P AP S 不能有效地合成
(Nikiforova等2003),导致芥子油苷合成的原料——
甲硫氨酸同系物(methionine homologs)、S-烷基硫
代氧肟酸的硫供体和磺基转移酶的底物不足,以
致芥子油苷合成受阻。
芥子油苷的降解代谢也被认为是硫的释放途
径。芥子油苷在黑芥子酶作用下,降解产生异硫
代氰酸盐(isothiocyanates)、腈类物质(nitriles)、硫
代氰酸盐(thiocyanates)、唑烷 -硫酮(oxazolidine-
thiones)和环硫腈(epithionitriles)等活性物质(Bones
和 Rossiter 1996;Wittstock和 Halkier 2002;
Bridges等 2002) (图 2)。此外,在芥子油苷水解
过程中还生成一些含硫类物质,这些物质亦可作
为硫资源,进入植物硫代谢途径(Visvalingam和
Torunn 1998;Hirai等 2004)。因此,当环境中
缺乏硫时,植物一方面增加对硫酸盐的摄取,另
一方面则增强体内芥子油苷的分解代谢,调控硫
图 1 芥子油苷代谢与硫代谢的关系(Hirai等 2005)
A T P S:A T P 硫酸化酶;A P S:腺苷酰硫酸;A P S K:A P S 激酶;P A P S:3 ’ - 磷酸腺苷 5 ’ - 磷酰硫酸;A P R:A P S 还原
酶;G S H:谷胱甘肽;O A S:乙酰丝氨酸;M A M:甲硫烷基化苹果酸合成酶;S - G T:S - 葡萄糖基转移酶;C Y P:细胞色
素 P 4 5 0 酶。
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资源在植物体中的分配和利用。
2 植物芥子油苷积累与硫营养供应
芥子油苷是芸苔属(Brassica)植物中主要含硫
类化合物之一,其含硫量高达 6% (Blake-Kalff等
1998)。因而,环境供硫水平直接影响植物体中
芥子油苷含量的高低。Boot h等(199 1)对油菜
(Brassica napus)施加硫肥,发现油菜营养器官和
花中总芥子油苷含量均显著升高。Zhao等(1994)
报道提高供硫水平后,油菜种子中脂肪族芥子油
苷含量明显增加。Rangkadilok等(2004)也发现增
加硫水平能诱导甘蓝(Brassica oleracea)体中 4-甲
基亚磺酰丁基(4-methylsulphinylbutyl)芥子油苷含量
明显升高。Li 等(2005)的实验结果表明,芜菁
(Brassic rapa)根中吲哚芥子油苷含量随着供硫水平
的升高而增加。Nikiforova报道(2005)缺硫培养的
拟南芥,其幼苗在持续缺硫 10 d后,芥子油苷
含量明显下降。
不同种类芥子油苷对硫营养的响应不同。
Marazzi等 (2004a)研究缺硫培养中硫营养对油菜中
芥子油苷含量影响的结果表明,在正常硫营养培
养下的油菜体内 2-羟基 -3-丁烯基(2-hydroxy-3-
b u t eny l )、2 - 羟基 - 4 - 环戊基( 2 - h ydr ox y - 4 -
pentenyl)、3-丁烯基(3-butenyl)芥子油苷含量分别
是缺硫培养植株的 60、50、650 倍,源自甲硫
氨酸的脂肪族的芥子油苷对硫缺乏比吲哚族芥子油
苷更为敏感。Chen等(2006)报道白菜中 4-戊烯基
(4-pentenyl)和3-丁烯基芥子油苷(占总脂肪族芥子
油苷的 95%)的含量受供硫水平的影响很大,而由
色氨酸衍生而来的吲哚族芥子油苷的含量随供硫水
平变化并不明显。
Mithen等(2000)认为,由于脂肪族、吲哚
族、芳香族芥子油苷合成所需含硫化合物量的不
同,导致不同种类的芥子油苷对环境中硫营养的
响应各异。吲哚族芥子油苷、芳香族芥子油苷分
别是由色氨酸、酪氨酸衍生而来,合成过程需要
半胱氨酸、PAPS 2种含硫类物质,而脂肪族芥
子油苷合成过程中需要甲硫氨酸、半胱氨酸和
PAPS 3种含硫化合物。因此,脂肪族芥子油苷
对环境供硫水平的反应更为灵敏,而由色氨酸衍
生的吲哚族芥子油苷(每个吲哚族芥子油苷分子含
有 2个N原子和 2个 S原子)的含量主要受环境供
氮水平的影响(Shattuck和Wang 1993;Kim等
2002)。
3 植物芥子油苷代谢与硫营养供应
在过去的数十年中,随着模式植物拟南芥全
基因组的序列测定和部分基因的功能解析,人们
对硫营养与芥子油苷代谢的关系已经有了较为深入
的认识。通过鉴定硫反应基因,人们发现一些参
与芥子油苷代谢的基因受硫缺乏的影响。Hirai等
(2005)通过 BL-SOM (batch-learning-selforganizing
m a p p i n g )分析发现,在缺硫胁迫下,拟南芥
MAM-1、CYP79F1、CYP83A1、SUR1、葡萄
糖基转移酶基因以及磺基转移酶(sulfotransferase
genes)基因的表达均下降。因此,在硫资源不足
的条件下,芥子油苷的从头合成(de novo synthesis)
受到限制。此外,硫缺乏也促使芥子油苷水解生
成一系列水解产物,其中 SO42-和 SCN-可被植株
作为硫资源重新利用(Wittstock和Halkier 2002),
能暂时缓解缺硫胁迫。
Hirai等(2003,2004)报道,经缺硫处理的拟
南芥根中黑芥子酶编码基因——At1g52000 和
At5g25980的表达上调;2005年,他们又发现这
2个基因和OAS基因簇一起,其转录水平受硫营
养状态(SO42-)影响。Maruyama-Nakashita等(2003)
也在拟南芥中发现编码黑芥子酶的 2 个基因
(thioglucosidase genes,At2g44460、At3g60140)
图 2 芥子油苷降解途径(Wittstock和Halkier 2002)
植物生理学通讯 第 43卷 第 6期,2007年 12月1192
以及编码黑芥子酶相关蛋白(myrosinase-associated
protein)的基因(At3g14210)均受缺硫的诱导。因
此,在硫缺乏条件下,植物一方面通过减少芥子
油苷的合成以降低次生代谢对硫的利用,另一方
面增加其降解以提高硫从次生代谢向初生同化的转
化,满足自身对硫的需求。
硫缺乏诱导腈水解酶(nitrilase)活性增加(Kutz
等 2002),于是吲哚族芥子油苷的降解产物吲哚 -
3-乙腈(indole-3-acetonitrile,IAN)转化为吲哚 -3-
乙酸(indole-3-acetic acid,IAA) (图 3)。因此,
缺硫胁迫在降低植物体内芥子油苷含量的同时,
还会诱导积累 IAA,促进植物根的伸长和侧根的
形成,从而有利于植物获取更多硫营养,以适应
缺硫环境(Ploshchinskaya等 2002)。
显下降。此外,缺硫可导致油菜体内链烯基
(alkene)、吲哚族、硫代烷基(thioalkyl)以及芳香
族芥子油苷含量均下降,致使植株抵御病原菌的
能力下降(Rodman 1991)。
芥子油苷及其降解产物具有双重作用,既
能作为杂食性动物(generalist herbivores)的威慑
剂,又能作为专食十字花科动物 ( c r u c i f e r
specialists)的引诱剂(Rask等 2000)。因此,芥
子油苷 - 黑芥子酶系统又称为二元性化学防御
(binary chemical defence)。另外,芥子油苷降
解产物——异硫代氰酸盐能诱导菜粉蝶(Pier is
rapae)、菜蛆(Delia radicum)和萝卜地种蝇(Delia
floralis)的产卵场所选择行为,并且能刺激某些
昆虫产卵(Sandrine和 Städle 2006;Renwick等
1992;Müller等 2003)。硫营养供应不足降低植
株体中芥子油苷含量,同时也影响专食性昆虫的
寄主选择和产卵行为。Marazzi等 (2004a,b)以
及Marazzi和Städle (2005)在研究硫营养对油菜菜
蛆产卵量的影响时发现,无硫培养植株体内有
11种芥子油苷含量显著下降,以致总芥子油苷
总含量也明显下降。因而,菜蛆和小菜蛾
(Plutella xylostella)往往是优先选择正常或高硫培
养的植物作为产卵场所(Rosa等 1997;Gouingnené
和 Städle 2006;Müller等 2003),并且正常硫营
养条件下生长的植物能刺激菜蛆产卵,共产卵量
明显比缺硫植株高些。
5 结束语
现已鉴定、克隆一些受硫营养调控的基因,
其中包括参与芥子油苷代谢的基因。这对深刻认
识芥子油苷代谢途径及其与环境间的关系具有积极
意义。然而,人们对硫营养调控芥子油苷生物代
谢机制的了解还有限,仍有许多问题有待解决。
如缺硫胁迫诱导芥子油苷含量的降低,究竟是由
于芥子油苷的生物合成过程受阻所引起,还是因
为黑芥子酶过量表达后所导致的芥子油苷过量降解
的结果,或者是二者协同作用的结果,尚需深入
探究。再如,甲硫氨酸衍生而来的脂肪族芥子油
苷对硫缺乏比较敏感,其原因可能是其合成原料
甲硫氨酸含量降低的结果,其中机制也处于推论
阶段,仍需进一步探究。另外,硫营养是如何
调控吲哚族芥子油苷降解与 IAA合成交叉途径中
4 芥子油苷的防御作用与硫营养供应
芥子油苷在植物防御体系中起作用(Bones和
Rossiter 1996;Raybould和Moyes 2001),但完
整的芥子油苷并不具有生物活性。只有当细胞组
织受到损伤时芥子油苷与黑芥子酶接触,芥子油
苷 -黑芥子酶系统得到激活后,才能产生一系列
毒性降解产物(图 2)。已经证明芥子油苷降解产物
能直接毒杀昆虫和病原菌(Pieterse等1998;Mithen
等2000),植物从而可有效抵御昆虫的采食以及细
菌、真菌的侵染(Kliebenstein等 2005)。
植株的营养状况也会影响自身防御能力。当
硫营养供应不足时,参与芥子油苷合成的基因低
量表达,导致芥子油苷含量降低,从而改变植物
的防御能力。Dubuis等(2005)报道,在缺硫条件
下生长的油菜对黑胫病菌(Leptosphaeria maculans)、
灰霉病菌( B ot r y t i s c in e r ea )以及芸苔根肿菌
(Phytophthora brassicae)等病原菌的抵抗能力均明
图 3 吲哚族芥子油苷代谢与硫代谢(Hirai和 Saito 2004)
SUR1:C-S裂解酶;S-GT:S- 葡萄糖基转移酶;ST:磺
基转移酶;Cys:半胱氨酸;PAPS:3’-磷酸腺苷 5’-磷酰硫酸。
植物生理学通讯 第 43卷 第 6期,2007年 12月 1193
的关键酶以降低吲哚族芥子油苷含量和保持 IAA
的动态平衡,也是人们所关注的问题,也有可能
成为近期的研究热点。
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