全 文 ：广 西 植 物 Guihaia 22(3)：264— 267 2002年 5 月
叶黄素循环酶
阳成伟，陈贻竹
(中国科学院华南植物研究所 ，广东广州 51 0650)
摘 要：依赖叶黄素循环的热耗散是一种主要防御光破坏 的机制。参与叶黄素循环的酶是紫黄质脱环氧化
酶和玉米黄质环氧化酶，紫黄质脱环氧化酶已分离纯化 ．其 eDNA 已被克隆。其活性主要受跨类囊体膜的 pH
梯度和抗坏血酸浓度的调节；玉米黄质环氧化酶还没有被分离 出来 ．但其 eDNA也已被克隆；其活性 主要与
NADPH的浓度、0 及光等有关。
关键词：叶黄素循环 ；紫黄质脱环氧化酶 ；玉米黄质环氧化酶
中图分类号 ：Q945．11 文献标识码 ：A 文章编号：1000—3142(2002)03—0264—04
The enzyme 0f the Xanthophyl 1 cycl e
YANG Cheng—wei．CHEN Yi-zhu
(South China Institute( Eotan3-．Chi,wse Academ3-0／Science，Guangzhou 510650．China)
Abstract：Xanthophyl cycle is concerned with their possible role in radiationless energy dissipation of excess
light energy：Violaxanthin deepoxidase and zeaxanthin epoxidase are inx，o1、 ed in xanthophyl cycle metabolism
and the cDNA of Violaxanthin deepoxidase has cloned ．its actixrity is mainly regulated by pH 、 alue and ascor—
bate concentration．The cDNA of zeaxanthin epoxidase has also Cloned，its actix，ity is related with NADPH con—
centration。pH 、’alue。02 and light et a1．
Key words：xanthophyll cycle；、，iolaxanthin deepoxidase；zeaxanthin epoxidase
植物光合机构 中叶绿素吸收的光能通过 光化
学过程转化为稳定的化学能。然而，大多数情况下
植 物接受的能量要超过其所 能转化 的能量 ，如果过
量 的光能不及时耗散掉 ，光合功能会 降低 ，甚 至出
现光氧化 ，从 而破坏光合机构 。植物在进化过程 中
形成多种保护机制 ，其 中依赖叶黄素循环的非辐射
能量耗散是一种有效且灵活的手段。关于叶黄素循
环在 防御 光合机构光抑 制和光 破坏 中的作用 已成
为光合作用研究 的一个重要的研究领域。已有不少
关于叶黄素循环方面的专论“ ，但在这些文章中
涉及 到的大多是关于 叶黄素循环参 与非辐射能量
耗散的功能及机制 ，而参与叶黄素循环代谢 的两个
关键 酶的分子性质和调节研究现状 尚未见综述 ，本
文仅就这方面的研究进展作一简要介绍。
叶黄素循环是由依赖光转化的 3个组分 ：玉米
黄 质 (Z)、单 环 氧 玉 米 黄质 (A)和双 环 氧 紫 黄 质
(V)，通过环氧和脱环氧作用 的循环机制 。V 在紫黄
质脱 环氧化酶 (VDE)的作用下脱环氧形成 A，再进
一 步脱环氧形成 Z；Z在玉米黄质环 氧化酶 (ZE)的
作用下环 氧化又可以形成 A，再进一步环 氧化形成
V。这两个反应在光和暗及两个酶催化下能同时发
牛
收稿 日期 ：2001—09—25
作者简介 ：阳成伟(1972一)，男 ，湖南永州人 ，博士研究生 ，现从事环境和作物生理生化研究。
基金项目：国家重点基础研究规划项 目(G19980101 00)资助
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3期 阳成伟等：叶黄素循环酶 265
l 紫黄质脱环氧化酶
1．1分子特性
Hager发现 VDE是一种水溶性酶，存在于高等
植物 中的类囊体腔 内 。后来 Hager和 Yamamoto
及 Higashi分别用凝胶过滤的方法得到分子量分 别
为 54 kDa和 60 kDa的 VDE 。 。然而，_~kerlund等
在菠菜(Spinacia oleracea)中通 过凝胶过滤层析结合
离子交换层析和疏水作用层析 ，分 离到 VDE，其分
子量为 43 kDa 。Havir等用 SDS—PAGE测得 菠菜
的 VDE为 单 一的 多肽 链蛋 白，其分 子 量 也 为 43
kDa，其等 电点 为 4．95。 。用 单 半 乳 糖 甘 油 二 脂
(monogalactosyldiacylglycerol；MGDG)亲 和沉 淀 法
也得到相似的结果 ，得到分子量为 43 kDa的多肽 ，
其等电点为 5．4“ 。
从 VDE的 Km来看，不同研究者用不同植物
材料所测的结果不一样 。Hager以菠菜为材料 ，测得
VDE对 V的 Km 为 10．6>mol／I “”，而 Grotz等也
得到 相似 的结 果，VDE对 V 和 A 的 Km 分别 为
11．1／lmol／I 和 5．3／lmol／I 。 。但在 莴 苣 中测得
VDE对 V的 Km为 0．049／mlol／I 和 0．35／lmol／I 。
这说明不 同植物 中 VDE对底物 V和 Z具有不同的
亲和力”。 。
VDE的氨基酸组成 已被测定 ，其 cDNA也已被
克隆 。Rockholmr等“ 报导 了 VDE的氨基酸组成 ，
其 中酸性氨基酸 Asp(包括 Asn)和 Glu(包括 Gin)
在 VDE氨基酸组成 比例最大 ，此 可能是该酶呈 酸
性的原因 。Bugos和 Yamamoto ”从莴苣 中得到了编
码 VDE的 cDNA的克隆，并在 E．coli中表达。获得
到的蛋白质，同高等植物中VDE呈相同的性质，如
能被 DTT抑制；该基 因是一个核编码、单拷贝基
因，其 cDNA编码一个 473个氨基酸的多肽，分子
量为 54．4 kDa，具有定位在类囊体腔中蛋白质的特
性。他们通过剪切、加工，得到一个成熟的 348个氨
基 酸的多肽 ，其 分子量为 39．9 kDa，在凝胶 电泳上
同 43 kDa非常接近。用等电点理论计算 的等电点值
为4．57，而实验得到的等电点则为5．4。该蛋白质有
3个有趣的结构域 ：A)N一端具有一个半胱氨酸富集
区(该蛋 白质中的 l3个半胱氨酸 中的 11个位于此
区)，是 DTT的抑制位点；B)有一个 Lipocalin信号，
可能是双环 氧的紫 黄质和 MGDG的结合位点 ；C)
具有一个高电荷区。该蛋白质的信号序列为 126个
氨基酸 。
1．2紫黄质脱环氧化酶的调节
1．2．1 pH值 Hager(1969)曾报道” ，VDE在分离
的叶绿体中最适 pH值为 4．8，而在分离的酶中最适
pH值为5．2。VDE对类囊体膜内 pH非常敏感，在
过量 的光下 由水 光解 产生大量的 H 以及 PQ库所
输入 的 H 能大大降低类囊体腔内的 pH，从而激发
腔内VDE活性。用分离的豌豆叶绿体测定 505 nm
吸收值的变化表明，z的形成速率常数强烈地受到
pH(5．8～6．3)的调节，pH6时具 有质子 协 同性 ，pH
值大于 6．3时 VDE的活性 为 0，而低于 5．8时具有
较高活性 。Brat等也得到了相近的结果，依赖 pH
的 VDE从类 囊体膜上 的释放 ，发生在一 个狭窄 的
pH 范围内，在 pH6．6时具有一个柔 和点 ，在 pH4时
具有质子 协同性 ”。通过冷 冻一融化循 环处理表
明，VDE在 pH值小于 6．5时紧紧地结合在类囊体
膜上，而 pH值高于 7．0时，游离在类囊体腔中“ 。
VDE对类囊体膜 内 pH 的此种敏感性 ，可能与其具
有高比例的带负电荷的谷氨酸 (G-lu)和天 门冬氨酸
(Asp)和包括 5个组氨酸残基有关。j 。
1．2．2 抗 坏 血 酸 (Vc) Siefermann 和 Yamamoto
(1974)发现抗坏血酸 (Vc)在脱环氧化作用 中起着
重要 的作用 ，在离体的叶绿体 中，16 nliloI．I，。Vc可
使光驱动的脱环氧化作用达到饱和 、。叶绿体中 Vc
的浓度一般在 l0～50 mmo1．I 。。。 ；而在胁迫 的条件
下(如高光照、冷害等)，Vc的浓度增加。冷适应的菠
菜浓 度甚 至提高至 5O mmo[．I 。而 Gilmore和
Yamamoto(1993)提 出 Vc可 以同玉米 黄质及 双环
氧的紫黄质一样作为脱环氧化酶 的共 同底物 ，增加
VDE的活性 。当将过氧化氢加 到完整的叶绿体
时，抗坏血酸过氧化物酶通过消耗 Vc，而抑制 VDE
活性 。Brat等 (1995)实验表明 VDE对 Vc的
Km常数强烈地依赖 pH值，当 Vc水平降低时，pH
值的最适值也转到更低的值。因此，Vc的酸化形式
是 VDE催化 A至 Z反应的真正底物。因而 ，他们提
出一个模型，在光照增强的情况下，类囊体腔中 pH
值下降 ，当pH值下降 6．6时，VDE紧密结合到类囊
体腔膜上 ，成为一种活化形式 ，而 当 pH值下降至 6
时，ATP合成开始 ，pH值进一步降低 ，酸化 Vc的形
式增加，从而增加 VDE的活性，催化 V转化成 z的
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266 广 西 植 物 22卷
反 应 。
1．2．3巯基化合物和 O一菲啶 巯基化合物和 。一菲啶
抑制 VDE的活性。用 V做底 物，当增加 DTT、巯基
乙醇、半 胱 氨 酸 和 。一菲 啶 的 浓 度 分 别 为 0．055、
0．68、2．7和 0．025 mmo1．I 。时 ，VDE活性 被抑 制
0 、
。 DTT其抑制位点位于 VDE的 N一端富集半
胱 氨 酸 区，它 抑 制 二 硫 桥 的形 成 。孟 庆 伟 等
(1998)用 5 mmo1． 的 DTT水溶液处理小麦叶片 ，
A÷z的含量下降约 ．8 。
1．2．4温度 VDE活性也受环境温度的制约 。在植
物正常生长的温度范 围内该酶的活性较强 ，而在低
温或高温的胁迫条件下 ，则活性 明显受抑制 。Dem—
mig—Adams和 Winter 观察 到在 5。C时玉米黄质
的形成明显减少 ，而且如果同时以高光强处理此限
制作用明显加剧 。
1．2．5 UV—B UV—B光线也可对 VDE活性产生抑
制作用 。由于随着地球 平流层 中臭氧层不断 被破
坏 ，UV—B辐射逐渐增强 ，因此 VDE对 UV—B的敏
感性也 日益受到人们的重视 。Pfimdel等曾多次研究
了 UV—B对 PSI和 VDE的抑制以及它们 同可见光
对 PSII的光抑制作用所产生的协同效应 。然而 ，
UV—B对 VDE作用 的具 体机制还有 待于进一步实
验证实。
2 玉米黄质环氧化酶
2．1分 子特 性
ZE是一种双功能单加氧酶 ，定位在类囊体膜的
基质 面，能催化 Z环 氧化成 A至 V 的反应。到 目前
为此 ，ZE还 没有被分离 出来 ，但 Matin等 (1996)发
现参与 ABA生物合成的一个基因，相当于拟南芥
的aba座位 ，并确定是编码 ZE的基 因 。它们用谷
物 激 活 剂 转 座 子 通 过 转 座 子 标 签 在 Nicotiana
plun aginifolia中分离 到缺 失 ABA 的突变 体 即为
aba2；aba2cDNA编码 一个输 入 叶绿 体 的 663个 氨
基 酸残基 的多肽 ，如 以 ATG 为起 始密码 子 ，这个
cDNA包括 5’端有 40 bp未转译的序列、1989bp编
码 区和 3’端有 313 bp未转译区与 58 bp长 的多聚
Poly(A)尾 巴。其 等 电点 为 7．28，分 子量 为 72．5
kDa，有一个 ADP结合折叠(包括一个富 Gly区，能
结合 NADP或 FAD)和 FAD结合域 ，在活体外 ，通
过转录、翻译和叶绿体运输 的研究，在此蛋 白质被
加工成为一个 67 kDa的成熟蛋 白过程 中，有 5O个
氨基酸信号肽的切割，然而此实验还没有此成熟蛋
白是定位在可溶性的叶绿体基质中，还是在同类囊
体膜联系或整合在其上 。Burbidge等曾从番茄 中
也得到了 ZEcDNA的 DNA序列 。
2．2玉米黄质环氧化酶的调节
环 氧化酶 的活性与 NADPH 的浓 度、pH值、O：
及光等有关 。O。和 NADPH2是 ZE催化 z环氧化成
A 至 V反应 的协 同底 物。Yamamoto和 Chichester
证实 V和 A中环氧基团均来 自光合作用中产生的
分子 氧，在低浓度 的氧下，环氧化 酶的活性 明显 受
抑 。NADPH影响环氧化酶 的活性 ，在分离的类囊
体 中，z的环氧化在 0．04 mmo1．I 。NADPH 达到最
大值 的一半 ，而在 0．4 mmo|．I 。的 NADPH下 ，环氧
化酶活性达到饱和 ；叶绿体基质在光和黑暗的条件
下 ，其 NADPH浓度分别为 0．3和 0。1 mmo1．I ，因
此 NADPH在活体内不是一个限制因子 。光也影
响 ZE的活性 ，Hager报道 ，ZE催化的环氧化反应在
暗中发生 ，在微弱的光下这一过程 受到促进。 。此
外 ，Boch发现 FAD也是 ZE的协 同因子 ，能提高其
催化活性 ” 。
参考文献 ：
[1]郭连旺 。沈允钢．高等院校植物光合机构避免强光破
坏的保护机制[J]．植物生理学通讯．1996，32(1)：1
～ 8．
[2]李晓萍．陈贻竹 ．郭俊彦．叶绿体 PSII光能耗散机制
研究I-J]．生物化学与生物物理学进展．1996．23(2)：
l45一 l49．
[3]董高峰 ，陈贻竹，蒋跃 明．植物叶黄素循环与非辐射
能量耗散I-j]．植物生理学通讯 ，1999，35(2)：141—
144．
[4]Horton P，Ruban A V，Wahers G R．Regulation of
light harvesting in green plants[J]．Annu．Rev．Plant
Physio1．Bio1．．1996，47：655— 684．
[5] Hager A． 1ichtbedingte pH—Erniedrigung in einem
chloroplast ten—kompartiment als Ursache der Enzyma—．
tischen 、 ioloanthin ZU zeaxanthin—Umwandlung：
Beziehungen zur photophosphorylierung[J]．Planta，
1969．89：224-_243．
[6] Hager A． Die reversiblen．Lichtabhangigen xantho—
phyl umwandlungen im chloroplasten[J]．Ber．Dtsch．
Bot．Ges．．]975．27— 44．
维普资讯 http://www.cqvip.com
3期 阳成伟等：叶黄素循环酶 267
[7 7 Yamamoto H．Higashi R M．Violaxanthin deepoxidase
． 1ipid composition and substrate specificity[J]．Arch．
Biochem．Biophy．，1978，190：514— 522．
[8] kerlund H E．Aridsson P O．Bratt C E．et a1．Par—
tial purification of the violaxanthin de—epoxidase —in
photosynthsis from light to Biosphere(P．M athis．ed．)
Vo1． IV[M]．Kluwer Academic Punlishers．Dor
drecht．ISBN 0—7923—3860一X．1995． 103— 1O6．
[9]H，d、 ir E A．Tausta S I ．Peterson R B．Purification
and properties of 、’iolaxanthin de—epoxidase from
spinach[J]．Plant Science．1997．123：57 66．
[1 07 Rockholm D C．Yamamoto H Y．Violaxanthin de—e
poxidase：purification of a 4 3-kilodalton lumenal pro
tein from lettuce by lipid —affinity precipitation with
monogalaclosyidiacy1g1yccridc[J]． Plant Pkysio1．
1996．1l0：679— 7O3．
[11]Hager A．The rex，ersible．1ight—induced conx ersions
of xanthoph3，lls in the chloroplast[A ．In：CZY—
GAN．E—C． (ed)：pigments in plants[C]．New
York：Fischer．Stuttgart．1980．57 79．
[12]Grotz B．Molnar P．Stransky H，et a1．Substrate
specificity and functinal aspects of、 iolaxanthin—de—e—
poxidase．an enzyme of tile xanthophyl c5，cle[J]．．，．
Plant Physio1．． 1999．154：437 446．
[1 3]Bugos R Y，Yamamoto H Y．Molecular cloning of、ri—
olaxanthin de—epoxidase from romaine lettuce and ex—．
pression in Escherichia Coli[J]．Proc．iXrat1．Acad．
Sci．US ．1996．93：6 320— 6 325．
[14]Pfindel E E．Dilly R A．The pH dependent of、，iolax—
anthin deepoxidase in isolated pea chloroplast[J]．
Plant Physio1．． 1993， 101：65——71．
[15]Bratt C E，Arvidsson D O．Marie C，et a1．Regula—
tion of violaxanthin de—epoxidase actix，ity by pH and
ascorbate concentration厂J]．Photosynth． Res．1995．
45：169— 175．
[1 6]Hager A．Holocher K．Localization of the xantho—
phyll—cycle enzyme violaxanthin deepoxidase within
the thylakiod lumen and abolition of its mobility by a
(1ight—dependent)decrease EJ]．Planta．1994，192：
81— 589．
[17]Arvidsson P O，Bratt C E．Carlsson M ．et a1．Purifi—
cation and identification of the violaxanthin deepoxi
dase as a 43kDa protein[J]．Photosyn．Res．．1996．
49：119——129．
[18]Siefermann D．Yamamoto H Y．I．ight induced deep—
oxidation of、riolaxanthin in lettce chloroplastⅢ[J]．
Biochim Biophys 4eta．1974·357：144— 1jO．
[1 9]Gillham D J，Dodge A D．Hydrogen peroxide scax 一
enging system within pea chloroplast[J]．Planta．
1986． 167：246— 251_
[207 SchOner S ，Krause G H．Protectix e systems against
actix e oxygen species in spinach：Response tO cold ac
climation in excess light[Jj．Planta．1990．180：383
389．
[21]Gilmore A M ．Yamanloto H Y．I inear models relat
ing xanthophyls and lumen aciditity Io non—photo—。
chemical fluorescence quenching．E、 idence that an
theraxanthin explains zeathin independent quenching
[JJ．Photosynth Res．1993．35：67 78．
[22]Neubauer C．Yamamoto H Y．M embrane barrier and
M ehier—peroxidase reaction limit the ascorbate a、rail—
able for 、 iolaxanthin deepoxidase actix，ity in tntact
chloropladt『iJ]．P／lOtOS3 rnth．Res．1 99I1．39：1 37～
147．
(23j盂庆伟 ．赵世杰 ．许长成 ．等．午间强光胁迫下叶黄
素循环对 小麦叶片光合机构的保护作 用 J]、作物
学报 ．1998．21(6)：7 l 7 750．
[2 1]Demmig—Adams B．Winter K．Zeaxanthin synthesis．
energy dissipation and photoprotcction of photosystem
Ⅱ at chilling temperature[J]、Plant Physio1．1 987．
90：894—898．
[2j]Pfimdel E．Pan R S．Dilley R A、Inhibition of、 ioxan—
thin deepoxidation by UV—B radiation in isolated
chloroplasts and intacts leax [J ．Plant Physio1．
1 992．98： 1 3 72 1 380．
[26]Marin E．Nussaume I ．Quesada A．et a1．Molucular
identification of zeaxanthin epoxidase of Nicotiana
plumbaginfolia． A gene imrolx red in abascisic acid
biosynthsis and corresponding to the ABA locus of
Arabidopsis thaliana[¨ ．EMBO-，．1996．15：2 331
2 342．
[277 Burbidge A．Griex e T．Terry C．gt a1．Structure and
express of a cDNA encoding zeaxanthin epoxidase．
isolated from a wilt—related tomato(1ycopersicon escu—．
1entumMilt)library[J]． ．Journal o／ E~-periment
Botany．1997．48(314)：l 749～ l 750．
[28]Yamamoto HY，Chichester CO．Dark incorporation
(下转第 276页 Continue on page 276)
维普资讯 http://www.cqvip.com