植物逆境生理 第三章 植物毒素及其生态意义

第三章 植物毒素及其生态意义第一节 非蛋白质氨基酸及其生态意义第二节 生氰糖苷及其生态意义第三节 生物碱及其生态意义第四节 蛋白质毒素及其生态意义第五节 不含氮毒素及其生态意义第六节 植物毒素的致毒机理及动物的解毒方式第三章 植物毒素及其生态意义v 裸子植物最早出现在石炭纪（距今约 3.5亿年），到三叠纪达到了鼎盛时期。被子植物在侏罗纪出现（约 1.8亿年），到了第三纪已很繁盛。随着绿色植物的出现和发展，以植物为食的各类动物也随之产生和发展起来。因此，植物在生存和发展中，除了要和自然环境斗争外，还要和各种取食者进行斗争。v 植物的有毒成分是植物自身合成的，能对取食者产生一定的伤害。习惯上常把植物的有毒成分称为植物毒素（ plant toxin）。毒素是植物最有效的防御武器，当植物被摸碰或被吃掉时，这种毒素便发挥作用。有趣的是，植物毒素大部分集中在最易受袭击的部位，如植物的果实和花。v 植物毒素的种类繁多，结构多种多样，除少数是蛋白质外绝大多数是植物次生物质，主要的毒素有非蛋白质氨基酸、生氰糖苷、生物碱、蛋白质毒素和不含氮毒素等几类。第三章 植物毒素及其生态意义第一节 非蛋白质氨基酸及其生态意义第一节 非蛋白质氨基酸及其生态意义v 一、碱性非蛋白质氨基酸v 二、酸性非蛋白质氨基酸v 三、芳香和杂环非蛋白质氨基酸v 四、含硒氨酸v 五、具神经毒性氨基酸v 六、非蛋白质氨基酸的生态意义第一节 非蛋白质氨基酸及其生态意义组成蛋白质结构单位的氨基酸称为蛋白质氨基酸，现知共有 20种。在植物中除上述 20种外还存在其他氨基酸，已分离鉴定了 400余种非蛋白质氨基酸（ non-protein amino acid），它们在植物体内大多数呈非结合状态，其中有不少是有毒的，它们多数存在于豆科植物的种子中。从结构上看，有毒的非蛋白质氨基酸多数是蛋白质氨基酸的模拟物。被动物食入后，能被当作相应的蛋白质氨基酸而被组入到蛋白质中，引起结构和功能的改变，从而带来严重的后果。谷氨酸和 -氨基丁酸是神经递质，与这些氨基酸结构相似的非蛋白质氨基酸能引起动物某些神经症状而带来伤害。有很多游离的非蛋白质氨基酸对动物是有毒的，但进行过较深入研究的大约有 20多个，按其结构和功能可分为下面几类。 一、碱性非蛋白质氨基酸在 pH 7时能携带净正电荷的都归于这一类，它们多带有 2个或 2个以上的氨基酸基团。（一）刀豆氨酸（ canavanine）和副刀豆氨酸（canaline）H2N C(=NH) NH O CH2 CH2 CH(NH2) CO2H刀豆氨酸H2N O CH2 CH2 CH(NH2) CO2H副刀豆氨酸H2N C(=NH) O CH2 CH2 CH2 CH(NH2) CO2H 精氨酸豆科蝶形亚科的许多种子中都含有刀豆氨酸，而在云实亚科和含羞草亚科以及其他亚科的植物中并没有发现。洋刀豆（ Canavalia anssifformis）种子分析表明，刀豆氨酸以游离状态存在，含量为鲜重的 3.6% 6.2%。而在大果豆（ Sioclea megacarpa）的种子中刀豆氨酸含量可达鲜重的 7 10。我国南方栽种的海刀豆（ C.maaritima）攀缘腾本荚果长10 cm，可菜用，种子和豆荚有毒，种子含刀豆氨酸 0.2% 4.4%，常有因加工不当而发生中毒的。刀豆氨酸对广谱生物都是有毒的，能抑制某些细菌的生长，能被组入到链球菌（Staphylococcus aureus）的蛋白质中。刀豆氨酸还抑制了霉菌、酵母和藻类的生长，对高等植物和动物的生长发育也有影响。Allende(1964)用小鼠肝核糖体制剂做实验，发现刀豆氨酸被组入刀蛋白质中了。刀豆氨酸对小鼠的毒性浓度为 200 mg/kg体重。取食刀豆氨酸的玉米螟，蛋白质含量降低，氨基酸含量上升，精氨酸酶活性也稍有降低。副刀豆氨酸是在研究刀豆的提取物时发现的，它也是个游离的非蛋白质氨基酸。副刀豆氨酸有一个自由的氨氧基基团，和鸟氨酸的氨氧基相同。副刀豆氨酸对烟草天蛾（ Manduca Sexta）是有毒的，能使其生长缓慢，雌虫卵巢萎缩，出现畸形的蛹和成虫。副刀豆氨酸能显著地抑制含有磷酸吡多醛的酶的活性。仅 10 mmol/L的副刀豆氨酸就能完全抑制谷氨酸草酰乙酸和谷氨酸丙酮酸转氨酶的活性。副刀豆氨酸可能和这些酶的辅基结合，从而产生抗代谢作用。从含有刀豆氨酸的原料中都能分离到副刀豆氨酸。（二）高精氨酸（ homoarginine）H2N C(=NH) NH (CH2)2 CH(NH2)CO2H高精氨酸香豌豆（ Lathyrus）的许多种都含有高精氨酸， Bell(1962)在这个属的 49个种中，发现有 36种含有这个非蛋白质氨基酸。 Rao等（1963）从 3 kg的山黎豆（ L.sativus）的种子粉中分离出 2.8 g高精氨酸，大约含量为 0.1%。从百脉根属（ Lotus）的 L.helleri种子里也分离出这个氨基酸。高精氨酸在培养基中以 8 g/ml就能抑制链球菌（ Streptococcus aureus）生长的 50%，它对小球藻（ Chlorella vulgaris）的毒性要高于刀豆氨酸，对大肠杆菌则有剧毒。高精氨酸对昆虫也是有毒的，但毒性低于刀豆氨酸。把 25 mmol/L 的高精氨酸注入 5龄烟草天蛾血淋巴中，虽然蛹化但严重残缺畸形。把约 5的高精氨酸加入到四纹豆象（ Callosobruchus maculates）的饲料中，阻止了蛹的羽化，若以接近自然含量（约 1）加入到饲料中，则没有明显的影响。高精氨酸对刀豆氨酸有明显的制约作用，能替代精氨酸来减缓刀豆氨酸的伤害作用。它对哺乳动物的毒性似乎不是很明显的，但这方面也却少深入研究。高精氨酸的功能可能是作为精氨酸的抗代谢物和竞争者而起作用。香豌豆属含异常游离氨基酸非常丰富，已分离和鉴定出至少有 12种之多。还有 -N-(-谷氨酰 )氨基丙腈（ CC CH2 CH2NH C(O) CH2 CH(NH2) CO2H） ,它是从香豌豆属分离出的第一个有毒游离氨基酸，当小鼠和大鼠取食这种氨基酸时，产生骨骼异常和出现动脉瘤。后来证明它的毒性是其结构中的 -氨基丙腈（ -NC CH2 CH2 NH2）引起的。腈化物干扰了胶原蛋白和弹性蛋白的交联作用。,-二氨基丁酸（ H2N CH2 CH2CH(NH2)CO2H）最早是从 L.latifolius分离出来的，并证明对小鼠有毒，它是鸟氨酸的同系物，在哺乳动物肝脏里抑制了鸟氨基转氨甲酰酶的活性。（三）羟基精氨酸（ hydroxy-arginine）和羟基高精氨酸（ hydroxy-homoarginine）H2N C(=NH) NH CH2 CH(OH) CH2CH(NH2)CO2H羟基精氨酸H2N C(=NH) NH (CH2)2 CH(OH) CH2CH(NH2)CO2H羟基高精氨酸羟基精氨酸最早是从海洋动物紫轮海参（Polycheira refescens）中分离的，是含有一个羟基化的亚甲基团的精氨酸同系物。接着又在日本海葵 (Anthopleura japonica)中找到它。在野豌豆属（ Vicia）中至少有 17个种含有这个氨基酸。它的水解产物是尿素和羟基鸟氨酸。也已从歪头菜（ V.unijuga）种子中分离出了羟基鸟氨酸，含量约为其干重的 1。Bell(1962)在研究香豌豆种子的游离氨基酸时，在提取物中发现了羟基高精氨酸，后来在其他豆科植物如兵豆（ Lens culinaris）和豌豆（ Pisum sativum）中也发现了这个氨基酸。对这两种非蛋白氨基酸的毒性和生物功能了解尚少，但其结构类似于精氨酸，推测它们可能作为精氨酸的抗代谢物而起作用。（四）木蓝氨酸（ indospicin）H2N C(=NH) NH O CH2 CH2 CH2 CH2CH(NH2) CO2H木蓝氨酸木蓝属（ Indigofera）的穗花槐蓝（I.spicata）是热带的一种豆科植物，有高含量的粗蛋白质，味可口，并有固氮能力，曾引起人们很大兴趣，考虑将它开发为饲料作物。但很快发现它能引起动物的流产和肝损伤。Pearn(1967)研究了 1000头食用了穗花槐蓝大鼠的胚胎，发现食用这种植物造成了严重的胚胎病症候群，包括次生腭裂和侏儒化，其大小只有正常胚胎的一半但各部分比例正常。穗化槐蓝还能引起不同程度的急性肝损伤。 1970年Pearn又用提纯的木蓝氨基酸做实验，在大鼠妊娠 11天胃管给药，每克体重 2 mg，实验 5头。其中两只雌鼠的胚胎在妊娠的 21天死于子宫内。另 3只得到 16只胚胎，其中 13只有腭裂，而对照的 10只全部是正常的。 DNA、 RNA和蛋白质含量有些增加，但增加的 75是水的潴留。木蓝氨酸对牛羊亦有剧毒，能引起肝损伤和怀孕动物流产等。我国南方木蓝属植物有野青树（I.suffruticasa），小灌木，可提取靛蓝染料，全株有毒。铁箭岩陀（ I.hendecaphylla）亦全株有毒，误食后造成家畜肝脾损伤，严重者可致死。木蓝氨酸也是精氨酸的同系物，能被食入的动物误组入蛋白质中，从而带来严重的后果。木蓝氨酸引起动物的某些伤害，可被同时注入等量的精氨酸所减轻，而不受同时注入的刀豆氨酸所影响。二、酸性非蛋白质氨基酸 含有二羧基的非蛋白质氨基酸有氨基草酰氨基丙酸和草酰二胺丙酸，本节主要介绍前者。HO2C C(O) NH CH2 CH(NH2) CO2H-氨基 -草酰氨基丙酸HO2C C(O) CH2 CH(NH2) CO2H谷氨酸-氨基 -草酰氨基丙酸是从香豌豆属的多种植物种子中分离到的，它在结构上和谷氨酸类似，是谷氨酸的模拟物。它的毒害作用不是被组入蛋白质中，而是因谷氨酸是昆虫神经 -肌肉接点处的一种神经递体，在神经传导中起着重要作用。 -氨基 -草酰氨基丙酸渗入神经组织后，能阻断神经冲动的传递，影响了谷氨酸的正常生理活动，从而引起一系列神经功能障碍。三、芳香和杂环非蛋白质氨基酸 （一）铃兰氨酸（ azetidine-2-carboxylic acid）铃兰氨酸 脯氨酸最早是从百合科欧铃兰（ Convallaria majalis）的叶中分离出来的，接着又在蓼科的一种蓼 Polygonatum officienale中得到，而且含量很高，占其干重的 3 65%，在何首乌（ Polygonatum multiflorum）根茎内铃兰氨酸中的氮构成了其非蛋白氮含量的 75。已测定了百合科的 90个种，有 1/3的种含有铃兰氨酸。我国北方各地广为分布的铃兰（ C.keiskei），两张叶片，一只花茎，全株有毒，花和根毒性较大。后来还在石蒜科和龙舌兰科植物中分离到。铃兰氨酸也存在于几种豆科植物中。一种百合科植物 Urginea maritima含 1.7%的铃兰氨酸，它对海灰翅夜蛾（ Spodoptera littoralis）是有抗性的。 Hassid等（ 1976）从这种百合科植物的叶中分离和提纯了铃兰氨酸，用实验证明铃兰氨酸的一种蓼 P.officinale的根茎中提取脯氨酸 -tRNA合成酶，发现绿豆的脯氨酰 -tRNA合成酶能以脯氨酸 1/3的速度活化铃兰氨酸，是其同系物。 Fouden（ 1963）也发现大肠杆菌和菜豆的脯氨酸活化酶能活化铃兰氨酸，并把它组入自身的蛋白质中，而含有铃兰氨酸的铃兰和何首乌的脯氨酰 -tRNA合成酶不能活化铃兰氨酸，因而不会把它组入到自身的蛋白质中。当动物食入铃兰氨酸后，由于体内的脯氨酸活化酶不能识别它，把它误认是脯氨酸，于是合成了脯氨酰 -tRNA并进而将其组入蛋白质中。带有铃兰氨酸的异常蛋白质失去了正常蛋白质的生理功能，进而引起了组织器官的坏死。(二 ) 黎豆氨酸（ lathyrine） 黎豆氨酸 Bell(1961)在分析一种香豌豆种子游离氨基酸时，发现了一个新的茚三酮染色呈橘红色斑点，它是一个新的非蛋白质氨基酸，被命名为 Lathyrine。黎豆氨酸在这种香豌豆的种子里含量为 2.11%，在这个属的其他种中含量约在 0.22% 0.52%之间。至今黎豆氨酸对其他生物的影响知道得还不多，但对其生物合成还有些研究。高精氨酸可能是黎豆氨酸的前体物。把 14C标记高精氨酸注入这种香豌豆的荚果皮或茎中， 4 6周后分析种子，发现标记碳被有效地转入了羟基高精氨酸中，而转入到氨基酸库和黎豆氨酸的极少。当把标记的羟基精氨酸施给这个植物时，标记的碳进入了黎豆氨酸。由此看来其合成途径可能是高精氨酸通过羟基高精氨酸变为黎豆氨酸。(三 ) L-多巴（ L-dopa）L-多巴 酪氨酸L-多巴以游离的或结合的糖苷形式存在于许多豆科植物的种子中，如羽扇豆属（Lupinus）、油麻藤属 (Mucuna)和野豌豆属（Vicin）等。其他科如大戟科的一种大戟Euphorbia lythyrus分泌的胶乳中也有。但是，在筛选过的上千个种中，只有油麻藤属种子含量在 0.5%以上，这个属种子的脱脂干粉多巴含量在 3.1% 6.7%之间。 Bell（ 1971）报道，油麻藤属有 6个种的种胚里含量达到了 6 9。高含量的多巴是油麻藤属的特征。它的大量存在干扰了昆虫的酪氨酸酶（ tyrosinase）正常功能。该酶能氧化酪氨酸成为多巴，并进而将多巴脱羧为多巴胺。这个反应是昆虫体壁硬化过程中重要的一步。所以，含大量多巴的种子对