植物次生代谢初步相关研究进展.doc

植物次生代谢初步相关研究进展摘要：植物次生代谢与植物的生长发育及其对环境的适应密切相关，由初生代谢派生参与植物防御反应相关的萜类、生物碱类、苯丙烷类为植物次生代谢物的主要类型，其代谢途径多以代谢频道形式存在种属、生长发育期等特异性。重点介绍这三类具有防御作用的次生代谢产物的生物合成途径、参与介导植物防御反应的相关信号分子及其转录调控机制，为正确认识植物次生代谢防御反应提供理论依据。关键词：次生代谢；调控机制；限速酶Preliminary research progress of plant secondary metabolitesAbstract：Plant secondary metabolism is closely related to the growth and development of plants and their adaptation to the environment, participate in related terpene derived from the primary metabolism of plant defense responses, alkaloids, phenylpropanes main types of plant secondary metabolites, metabolic multi-channel metabolic pathways exist species, such as specific growth period. Focuses on the biosynthetic pathway of these three defensive role of secondary metabolites involved in plant defense responses mediated signaling molecules and transcription regulation related mechanisms to provide a theoretical basis for a correct understanding of plant secondary metabolites defense response.Keywords：Secondary metabolism; regulatory mechanisms; rate-limiting enzyme植物次生代谢（secondary metabolism）是由初生代谢（primary metabolite）派生的一类特殊代谢过程1(见图1)，是植物在长期进化中与环境相互作用的结果。植物和微生物能够合成大量次生代谢产物(secondary metabolites),又称天然产物。这些小分子有机物在植物类群中特异性分布,往往不是细胞正常生命活动所必需的。据估计,植物次生代谢产物在10万种以上，包括萜类、酚类(黄酮类、花色苷)、生物碱、多炔等,它们都是由初生代谢途径衍生而来的。人类利用植物次生代谢产物预防和治疗疾病的历史非常悠久。至今，从植物中提取的次生代谢产物仍然在人们的生活中发挥重要的作用，对医药、轻工、化工和食品等领域的发展至关重要。近来的研究发现,植物次生代谢物着重要作用,且部分是植物生命活动所必需的2。例如，我国科学家首先从中药青蒿(Artemisia annua)中分离得到的青蒿素,迄今仍是最有效的抗疟药物。类吲哚乙酸、赤霉素直接参与生命活动的调节;木质素为细胞次生壁的重要组成成分；叶绿素、类胡萝卜素等萜类物质作为光合色素参与光合作用过程等3。随着植物分子生物学的飞速发展，物生物反应器在基础研究和应用领域都取得了长足进展，植次生代谢物质参与植物防御反应的调控机制非常复杂，各种防御信号途径共同组成一个防御网络，在一定程度上有效地抵御各种生物胁迫。近几年植物防御信号传递途径方面的研究表明，针对不同的病原物的诱导，防御反应相应地受到不同信号传递途径的调控。实线部分为初生代谢，虚线部分为次生代谢The solid line part of the primary metabolism, the dotted line for the secondary metabolism图1植物初生代谢与次生代谢的的关系Fig1 Relationship with the primary metabolism plant and secondary metabolites plant一、萜类化合物的生物合成及代谢调节萜类化合物是自然界存在的一类由异戊二烯为结构单元组成的化合物的统称，也称为类异戊二烯。萜类化合物有2条合成途径，一条是长期以来被大家公认的甲羟戊酸途径4-5，另一条是1993年由Rohmer等6通过大量研究证明的丙酮酸/磷酸甘油醛途径。甲羟戊酸途径是以乙酰辅酶A为原料，经甲羟戊酸这一前体，形成异戊烯基焦磷酸酯（IPP）及其双键异构体二甲基烯丙基焦磷酸酯（DMAPP），进一步缩合形成倍半萜、三萜和甾体，这些反应均在细胞浆（cytosol）中进行，又称胞浆途径（cytosolic pathway）。由于甲羟戊酸（MVA）是该途径的关键前体，故该途径简称MVA途径5。植物次生代谢途径通常以不同类别的次生代谢物合成途径为单位即代谢频道(metabolic channel)的形式存在8。植物萜类化合物,如单萜、倍半萜以及双萜等高级萜类不仅拥有单独的合成途径,且具独特的酶促反应机制。例如,番茄果实甾醇和胡萝卜素的合成分别由不同的HMGR等位基因所控制9;马铃薯中HMG1负责机械损伤诱导的甾醇合成,HMG2和HMG3则负责诱发因子作用下倍半萜植保素的合成10。萜类的代谢频道不仅受植物发育进程的调控11,亦受不同诱发因子的启动12-14。如气候条件是影响萜类物质形成的重要因素之一,其种类、数量、含量和释放量都会随季节的变化而变化15,16,多数热带植物含有大量挥发油成分17;亚热带松柏科植物树脂含量明显高于温带松柏科植物18。二、生物碱类化合物的生物合成及代谢调节大多数生物碱分子都是由L-氨基酸（如色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸和精氨酸等）单独合成，或者与类固醇、类裂环烯醚萜（如次番木鳖苷）或其他类萜配基结合生成。根据合成前体的不同，生物碱可分为真生物碱、伪生物碱和原生物碱。真生物碱和原生物碱都是氨基酸衍生物，但后者不含杂氮环；而伪生物碱则不来源于氨基酸，是由萜类、嘌呤和甾类化合物转化而来的。普通氨基酸经三羧酸循环一两次转变即可成为具高度特异性的生物碱合成前体。研究发现，植物生物碱的主要类型为萜类吲哚生物碱、苄基异喹啉生物碱、茛菪碱、烟碱和嘌呤生物碱等，这些生物碱在植物体内均有其特定的生物合成途径7。植物生物碱代谢途径是一个动态的复杂过程18，既受到植物本身遗传背景和生长发育进程的调控,也受到病虫侵染和取食、生态环境、营养水平、养分形态等各种诱发因子刺激的作用。例如,氮素有利于植物生物碱产额的提高,反之,缺乏氮素则严重抑制生物碱的合成；氮素形态差异对生物碱的合成和积累也有影响,可导致生物碱含量或各组分比例的改变18，但其影响机制,目前还知之甚少。已知的植物生物碱代谢频道中，其代谢途径往往受到在空间、区域和底物上的高度特异酶的调控。例如,生物碱长春多灵的生物合成过程分别在细胞质、液泡、液泡膜、内质网膜、类囊体膜等5个以上细胞区室内完成。苯基异喹啉生物碱的合成途径中黄连素桥酶及(S)-四氢原黄连素氧化酶都定位在由光滑内质网产生的小泡中,是一种微小粒体细胞色素P450依赖型氧化酶,具有高度底物特异性15。吲哚-3-甘油磷酸裂解酶、酪氨酸/多巴脱羧酶、小檗碱桥酶等可能是各类生物碱合成途径的限速酶，决定着生物碱的合成与积累量。托品酮还原酶、小檗碱桥酶、氧甲基转移酶等为催化合成生物碱中特定立体结构基本骨架的专一性酶,而羟基化酶、脱氢酶和单氧化酶等修饰酶类,虽然对底物要求不高但可影响生物碱代谢的最终产物类型14。三、 苯丙烷类化合物的生物合成及代谢调节苯丙烷类化合物生物合成的起始分子为芳香族氨基酸，即苯丙氨酸和酪氨酸。研究表明，在大多数植物苯丙烷类化合物代谢途径中包含两个基本途径,即莽草酸(shikimic acid)途径和丙二酸(malonicacid)途径52。莽草酸途径主要参与高等植物的苯丙烷类代谢,丙二酸途径则为真菌或细菌的合成途径。在高等植物体中,通过莽草酸途径可将赤藓糖-4-磷酸(磷酸戊糖途径)与磷酸烯醇式丙酮酸(糖酵解途径)结合经中产物莽草酸(故名为“莽草酸途径”)转化为芳香族氨基酸苯丙氨酸和酪氨酸。这两种芳香族氨基酸为苯丙烷类化合物生物合成的起始分子。由苯丙氨酸解氨酶(phenyla lanine ammo-nialyase,PAL)催化苯丙氨酸脱氨形成肉桂酸,进而转化为木质素单体(monolignol)的一系列过程被公认为苯丙烷类化合物代谢的中心途径。苯丙烷中央代谢途径condensed tannin及类黄酮和异黄酮合成支路均以代谢频道存在12-13。例如,拟南芥细胞中的查耳酮合酶(chalcone synthase ,CHS)、查耳酮异构酶(chalcone isomerase,CHI)、黄烷酮-3-氢氧化酮酶和二氢黄酮醇还原酶之间相互联系形成多酶复合体56,黄烷酮-3-氢氧化酮酶、肉桂酸-4-羟基化酶、阿魏酰-5-羟基化酶等细胞色素P450酶多充当细胞膜“锚”的作用,将相关的酶组装固定在内质网膜上,从而构成了此类代谢途径的代谢频道17。研究表明,苯丙烷代谢途径中PAL、CHS、芪合酶、异黄酮合酶等为形成特定立体结构的专一性酶对底物具有较强的专一性。在大多数维管植物中苯丙氨酸是PAL偏爱的底物,但只有单子叶植物的PAL才可以同时利用苯丙氨酸和酪氨酸。黄烷酮-7-O-甲基转移酶、异黄酮-4-O-甲基转移酶、异黄酮(异黄烷酮)二甲烯丙基转移酶等为该途径的结构修饰酶类。PAL、肉桂酸-4-羟基化酶(cinnamate4-hydoxylase,C4H)、42香豆酰-CoA-连接酶(4-coumarate CoA ligase,4CL)是苯丙烷类合成途径中的限速酶,位于代谢途径的分支点或者合成途径的下游,负责合成广义酚类物质的一般合成前体。综上所述 ,植物次生代谢途径的基本框架已初步探明 ,在代谢途径分子调控及代谢工程的研究方面取得了令人鼓舞的研究进展，但仍然存在许多盲点，由于一些限速步骤及同功酶的研究资料较少 ,转基因植株有效成分的安全性及有效性还尚未明确、信号分子在防御反应复杂网络中发挥作用的方式、信号路径间相互联系的方式及许多信号传导组分、调控分子还有待进一步研究阐释。随着生物科学研究的深入，一些未知代谢机制将被进一步揭示，以为植物次生代谢的正确定位和药用植物资源保护与可持续利用方案的制定等奠定理论基础。 参考文献1陈晓亚,叶和春.植物次生代谢及其调控A.见:李承森主编.植物科学进展(第1卷)C.北京:高等教育出版社,1998.293-304.2 ToniM, Kutchan . 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