類胡蘿卜素合成途徑終產物脫落酸的合成調控與生物學效應

摘 要：概述了類胡蘿卜素和脫落酸的基本概況、分布，生物合成途徑中各中間產物在細胞中的存在部位，合成途徑，合成途徑中的關鍵酶、突變體等。

關鍵詞：類胡蘿卜素；脫落酸；關鍵酶

中圖分類號：Q945 文獻標識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2011.05.007

Regulation and Biological Effects of End-product Abscisic Acid of Carotenoid Biosynthetic Pathway

YANG Qiu-ling，JI Jing，WANG Gang，GUAN Chun-feng

(College of Agriculture and Bioengineering，Tianjin University， Tianjin 300072， China)

Ａｂｓｔｒａｃｔ: This paper summarized basic situation of carotenoid and abscisic acid， their distribution， existing parts of middle products in cells， synthetic way， key enzymes of synthetic way， and mutants.

Key words: carotenoid; abscisic acid;key enzyme

類胡蘿卜素是脫落酸的前體物質，它和脫落酸對調節植物體生長發育發揮著極其重要的作用。對二者間相互關系的研究有利于更加清楚地了解植物各種生理活動的機理，具有重要的理論意義和應用價值。

1 類胡蘿卜素

類胡蘿卜素類物質是指C40的碳氫化合物(胡蘿卜素)和它們的氧化衍生物(葉黃素)兩大類色素的總稱。普遍存在于動物、高等植物、真菌、藻類中的黃色、橙紅色或紅色的色素之中。在植物中，類胡蘿卜素類物質是葉綠體光合作用的輔助色素，起傳遞光能的作用，并保護葉綠素不被強光破壞[1]；也是合成植物激素脫落酸的前體。類胡蘿卜素是一類營養元素，有益于人體的健康，增強人體免疫力，延緩機體衰老，預防癌癥，減少因缺乏維生素A而引起的夜盲癥、幼兒弱視等一系列眼病。類胡蘿卜素也是一種抗氧化劑，可淬滅與清除機體內產生的自由基。

高等植物類胡蘿卜素主要是在細胞的質體中合成的。在葉綠體中類胡蘿卜素主要分布于鑲嵌天線色素和光合反應中心復合體的光合膜上，而在成熟果實和花瓣的有色體中則主要積累在膜、油體或間質內的其它結構上。類胡蘿卜素合成酶類是由細胞核基因編碼的，編碼翻譯成蛋白質后轉運至質體中，從而參與類胡蘿卜素的生物合成。

2 脫落酸

脫落酸存在于植物的葉、休眠芽、成熟種子中。通常在衰老的器官或組織中的含量比在幼嫩部分中的多。能抑制植物細胞的分裂和種子萌發，促進芽和種子休眠，還能促進葉和果實的衰老和脫落(使離層加速形成，細胞壁環境酸化，水解酶的活性增加)。它的作用在于抑制RNA和蛋白質的合成，從而抑制莖和側芽生長，是一種生長抑制劑，有利于細胞體積增大。脫落酸對生長的作用與生長素、赤霉素和細胞分裂素相反，它對細胞的分裂與伸長起抑制作用。脫落酸也與葉片氣孔的開閉有關。在干旱、寒冷、酷熱、鹽漬、水澇、缺氧、病原物侵染等條件下脫落酸含量會迅速增加，導致氣孔關閉減少水分蒸騰，激活編碼可溶性滲透保護物質等基因降低脅迫傷害，減少脅迫誘導的乙烯、活性氧對植物生長的影響。它可以提高植物的抗旱和耐鹽力。

早期認為植物老葉是脫落酸合成的主要部位。其他器官，特別是休眠的芽、花、果實和種子也能合成脫落酸。后來證實離體的根系特別是根尖在緩慢脫水時能合成大量的脫落酸，非離體根在脅迫下也能夠合成脫落酸并可沿木質部隨蒸騰流運輸到葉片而導致氣孔關閉[2-3]。葉片中的脫落酸合成及類胡蘿卜素合成途徑主要集中分布于葉綠體。番茄幼苗根冠細胞中的脫落酸主要分布于質體、細胞質膜囊泡及淀粉粒周圍的造粉體等[4-5]，這些部位很可能就是合成脫落酸的亞細胞位點。

3 類胡蘿卜素和脫落酸的合成調控

3.1 類胡蘿卜素和脫落酸生物合成途徑中各中間產物在細胞中存在的部位

甲羥戊酸為前體的脫落酸合成在細胞質中進行，甲羥戊酸合成異戊烯基焦磷酸后借助載體作用運入質體內繼續進行反應。在葉綠體中異戊烯基焦磷酸生物合成是以甲基赤蘚糖磷酸途徑合成的。首先以丙酮酸及硫胺素焦磷酸為前體，在3-磷酸甘油醛參與下合成5-磷酸脫氧木酮糖，進而在胞苷三磷酸參與下形成異戊烯基焦磷酸[6]。然后直至黃質醛的合成全部在質體中進行，期間經過了類胡蘿卜素的合成。黃質醛合成后出質體進入胞質繼續反應生成脫落酸，然而脫落酸合成的細胞定位至今尚不清晰[6]。

3.2 類胡蘿卜素和脫落酸有共同的上游合成途徑

香葉基香葉基焦磷酸合成酶（GGPS），八氫番茄紅素合成酶（PSY），八氫番茄紅素脫氫酶（PDS），番茄紅素β-環化酶（LYCB）是類胡蘿卜素合成途徑中的幾個關鍵性酶。類胡蘿卜素生物合成中涉及的酶都是膜結合的或整合入膜中的。

類胡蘿卜素合成酶類是由細胞核基因編碼的，編碼翻譯成蛋白質后轉運至質體中，從而參與類胡蘿卜素的生物合成。首先，異戊烯基焦磷酸異構酶(IPPI)催化異戊烯焦磷酸(IPP)形成二甲基丙烯基二磷酸(DMAPP)，推測IPPI可能是植物類胡蘿卜素合成的關鍵限制因素，調控著下游多種物質的合成。香葉基香葉基焦磷酸合成酶(GGPS)是萜類物質合成的一個重要分支點酶，是形成植物類胡蘿卜素最直接的前體，參與合成植物中的八氫番茄紅素。PSY是類胡蘿卜素合成途徑重要的限速酶，其基因早期是從番茄中獲得的。現已從辣椒、擬南芥、玉米、黃水仙、甜瓜和白芥等植物中分離出PSY。大多數植物都表達單一的Psy基因，而番茄、煙草、玉米和水稻等少數植物中有2個表達有差異的Psy基因，即Psy1和Psy2。Psy1和Psy2分別催化番茄果實和葉組織中八氫番茄紅素的合成。PDS是位于葉綠體類囊體中與膜相連的酶，是植物類胡蘿卜素合成中去飽和的非常重要的一類酶，參與線狀類胡蘿卜素生物合成。PDS是類胡蘿卜素合成途徑中的限速酶[7]，是許多除草劑的抑制劑：如噠草伏和氟啶酮的結合位點，這些除草劑與PDS結合后非競爭性的抑制了PDS的催化活性、葉綠素受到破壞積累大量的八氫番茄紅素[8]。LCYb和LCYe參與類胡蘿卜素合成中番茄紅素的環化反應，形成帶β環和ε環的類胡蘿卜素，這是類胡蘿卜素合成途徑中的關鍵分支點，其氨基酸序列同源性達35%。

3.3 類胡蘿卜素與脫落酸合成過程

甲羥戊酸(MVA)先聚合成C40前體——類胡蘿卜素，然后類胡蘿卜素裂解成C15的化合物黃質醛(XAN)，最后由黃質醛轉變成脫落酸(ABA)。

3.4 類胡蘿卜素到脫落酸生物合成途徑的關鍵酶及其突變體

隨著脫落酸缺失突變體(脫落酸生物合成缺陷型突變體的內源脫落酸含量很低，其表型特點為：氣孔不能正常關閉，植株萎焉或種子胚不能正常休眠，呈現提早萌發的特點)的發現、無細胞體系的建立以及同位素示蹤技術、分子生物學技術和化學抑制劑的應用，脫落酸生物合成途徑的研究越來越深入細致。脫落酸生物合成包括C15直接途徑和C40間接途徑。前者由3個異戊烯單位聚合成C15法呢焦磷酸，經環化和氧化作用直接形成脫落酸；高等植物通過間接途徑合成脫落酸：由甲羥戊酸聚合成C40類胡蘿卜素，再由類胡蘿卜素氧化裂解成C15的化合物，如黃質醛，最后由黃質醛轉變成脫落酸。在該途徑中玉米黃質環氧化酶 (ZEP)、9-順式-環氧類胡蘿卜素二加氧酶(NCED)和醛氧化酶(AO)起著重要作用。

對煙草突變體aba2類胡蘿卜素含量的分析結果表明，脫落酸的合成受阻是由于玉米黃質環氧化作用減弱所致，催化該環氧化作用的酶是由煙草aba2基因編碼的葉綠體輸入蛋白：玉米黃質環氧化酶(ZEP)。其轉錄產物在葉和莖中含量較高，編碼該蛋白的基因在葉中不受滲透脅迫誘導。在葉片等光合組織中aba2轉錄產物與光合作用有關，表現出明顯的日變化；干旱條件下，aba2 mRNA水平呈周期性變化，但不影響脫落酸的合成。但在非光合器官如根和種子內ZEP的含量則較低。該基因在根中被滲透脅迫誘導，此基因表達量的增加與脫落酸含量增加成正相關。當煙草植株受到水分虧缺脅迫時，根系細胞內aba2轉錄產物和脫落酸的含量顯著增加，但葉片內aba2轉錄產物的含量并不增加，表明ZEP調控的環氧類胡蘿卜素的含量只在根的脫落酸合成中起調控作用。現已發現的脫落酸生物合成缺陷型突變體中導致玉米黃質不能形成環氧玉米黃質的有煙草aba2，擬南芥aba1[9-10]。

9'-順式紫黃質或9'-順式新黃質裂解為黃質醛被認為是脫落酸生物合成的另一個關鍵性調節步驟。酶學研究表明，催化該反應的酶是9-順式-環氧類胡蘿卜素二加氧酶(NCED)，此酶是9'-順式新黃質到脫落酸整個過程中的限速樞紐，分布于質體特別是葉綠體中。此基因最初從玉米缺失突變體vp14[11]中克隆到的，番茄缺失突變體not也不能合成NCED。NCED都包含一個小基因家族，為一種二氧合酶，二氧合酶可催化含雙不飽和鍵的化合物(如類胡蘿卜素，亞油酸等)加雙氧裂解。該酶生化和分子特性表明其具有底物和催化位點的特異性，專一性很強，能跨越9'-順式新黃質的11'-12'雙鍵使之裂解，是脫落酸合成途徑中的一個限速步驟，也是滲透脅迫誘導合成的關鍵性調節位點，參與許多生理過程。如種子休眠、耐旱、抗低溫等的調節。干旱等脅迫條件下，該酶的合成量或活性增加，從而使黃質醛加快形成，繼而很快轉化為脫落酸。研究認為NCED在甜橙外皮中最主要的底物可能是9'-順式紫黃質，9'-順式新黃質可能是光合組織中脫落酸合成的前體[12]。NCED蛋白的mRNA能在胚和根中表達，也能被水分脅迫強烈誘導。目前的研究表明，NCED蛋白N-末端序列可起轉運肽的作用，能將細胞質內合成的NCED蛋白轉運至質體內起作用[6]。NCED蛋白的基因是一多基因家族，在玉米、大豆、擬南芥、番茄及鱷梨中NCED蛋白的氨基酸序列3/5同源。推測NCED蛋白可能具有不同的功能關鍵區:N-末端轉運肽區，可變區，反應核心區等[13]。

從ABA醛氧化為ABA由一個需要鉬輔因子的醛氧化酶(AO)催化完成，該酶存在于液泡中。AO是由150 KD亞基組成的同源二聚體，氨基酸序列高度同源并含有兩個結合位點，一個結合鉬輔因子(MoCo)，另一個結合鐵硫中心[7，14]。醛氧化酶基因同樣是一個多基因家族，并具有廣泛的底物特異性[4]。番茄flc和擬南芥aba3突變體缺失將硫引入鉬輔因子的能力即鉬輔因子-硫化酶活性被損害，因此，不能將ABA醛氧化為ABA[15]。煙草aba1突變體不缺少醛氧化酶(AO)蛋白本身而是缺少一種硫化能力，缺少的是ABA醛氧化酶活性[16]。 大麥nar2a也不能將ABA醛氧化成ABA，可能因為缺少鉬輔因子本身[17-18]。

4 結束語

隨著生物化學和分子生物學技術的發展及突變體的應用，高等植物體內類胡蘿卜素、脫落酸合成途徑、合成部位及相關酶、關鍵調控位點越來越清晰，但仍有許多問題有待深入探討。例如脫落酸合成的細胞定位至今尚不清晰。脫落酸信號轉導途徑過程中的具體受體仍不是十分明了。類胡蘿卜素、脫落酸生物合成途徑的大體輪廓雖已清楚，但合成途徑中各環節的部分酶類還不知道。這些問題還有待深入研究。

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收稿日期：2011-04-08；修訂日期：2011-07-15

基金項目：國家“十一五”重大專項轉基因生物新品種培養重大專項(2009ZX08003-019B)、(2008ZX08003-005)、(2008ZX08004-001)、(2009ZX08010-013B)

作者簡介：楊秋玲（1987-），女，山東濰坊人，在讀碩士生，主要從事植物基因工程方面研究。

通訊作者：季靜( 1965-) ，女，吉林長春人，教授，博士后，主要從事玉米和花卉轉基因研究。