芥子油苷与植物激素在生物合成中的相互作用

芥子油苷与植物激素在生物合成中的相互作用摘要：芥子油苷是一类重要的次生代谢物质，植物激素在植物的生长发育中也起着关键性作用，植物激素与芥子油苷之间存在复杂的相互作用。生长素与吲哚类芥子油苷在生物合成上存在着相互作用。植物防卫信号分子与芥子油苷之间也存在相互作用，茉莉酸强烈诱导吲哚类芥子油苷生物合成相关基因CYP79B2和CYP79B3的表达，水杨酸和乙烯则能轻度诱导4-甲氧吲哚-3-甲基芥子油苷的生成。植物防卫信号转导途径相互作用以调节不同种类吲哚类芥子油苷的生成。关键词：芥子油苷，生长素，茉莉酸，水杨酸，相互作用Abstract:Glucosinolateisagroupofimportantsecondarymetabolite,andphytohormonesplayessentialroleinplantdevelopment,thecomplexinteractionsexistbetweenphytohormonesandglucosinolatesatthelevelofbiosynthesis.Aunxinandindoleglucosinolatesinteractatthelevelofbiosynthesisandmetabolism.Plantdefensesignalingmoleculescaninducethebiosynthesisofspecificglucosinolates.JasmonicacidhighlyinducestheexpressionofindoleglucosinolatesbiosyntheticgenesCYP79B2andCYP79B3,andthusleadstoanincreaseintotalindoleglucosinolatecontents,whereas4-methoxyindole-3-ylmethylglucosinolatewasslightlyinducedbysalicylicacidandethylene.Thecrosstalksexistbetweendifferentplantdefensesignaltransductionpathwaystoregulatethebiosynthesisofindoleglucosinolates.Keywords:glucosinolates,IAA,JA,SA,interaction芥子油苷(glucosinolate，GS)是一种含氮和硫的植物次生代谢物质，根据侧链的氨基酸来源可以将芥子油苷分为脂肪族芥子油苷(侧链来源于甲硫氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸)、芳香族芥子油苷(侧链来源于苯丙氨酸和酪氨酸)和吲哚族芥子油苷(侧链来源于色氨酸)3个类群，主要存在于十字花科植物中[1]。芥子油苷及其降解产物有着广泛而深入的生物学效应，特别是在参与植物的防卫反应和抗癌作用等方面近年来引起了极为广泛的关注。植物激素对植物的生长发育有重要的调节作用，随着植物激素与芥子油苷的生理功能与作用机制研究的不断深入，人们发现植物激素与芥子油苷存在不同层次的相互作用，以共同调节植物的生长发育、对逆境的适应以及植物的防卫反应等。植物激素与次生代谢物质芥子油苷的相互作用研究近年来引起人们广泛的关注，植物中这两类重要的生物活性物质在生物合成上的相互作用研究已取得较大进展，本文综述这方面的研究进展，并对这一领域的前景进行展望。1吲哚族芥子油苷代谢与生长素的合成途径吲哚族芥子油苷来源于色氨酸[2]。色氨酸由细胞色素P450酶CYP79B2或CYP79B3催化转变为相应的吲哚-3-乙醛肟(indole-3-acetaldoxime)。吲哚-3-乙醛肟形成之后,再经一系列反应形成吲哚族芥子油苷核心结构[3]。核心结构再经羟基化、甲基化等各种次级修饰形成不同的吲哚族芥子油苷[2，3]。同时,吲哚族芥子油苷在黑芥子酶(myrosinase)的作用下,依据反应环境可生成吲哚-3-乙腈(indole-3-acetonitrile)等不同的降解产物。另一方面,生长素的合成途径则比较复杂。根据前体是否为色氨酸,植物体内生长素的合成途径可分为依赖色氨酸途径(Trp-dependentpathway)和非依赖色氨酸途径(Trp-independentpathway)[4]；在色氨酸途径中,根据吲哚-3-乙醛肟的合成过程是否有色胺参与,又可分为色胺途径(tryptaminepathway)和吲哚-3-乙腈途径(indole-3-acetonitrilepathway)[5]。吲哚族芥子油苷的侧链部分源自色氨酸,同时生长素在依赖色氨酸途径的合成过程中也以色氨酸作为前体,因而认为吲哚族芥子油苷代谢与生长素的代谢途径存在着关联,主要体现在色胺途径和吲哚-3-乙腈途径的相互关系。在拟南芥中，IAA合成的色氨酸途径会产生一系列重要的次生代谢物质，其中就包括吲哚类芥子油苷[6]。色氨酸是由分支酸(chorismate)合成的，催化这一过程的酶及其编码的基因在原核生物与真核生物之间有着惊人的保守性[5]。色氨酸合成后，可以分别通过在细胞色素P450家族的CYP79B2/CYP79B3和YUCCA两条不同途径生成吲哚乙醛肟(indole-3-acetaldoxime,IAOx)[7]。其中CYP79B2/CYP79B3途径可以直接以色氨酸为底物生成IAOx，而YUCCA途径需先生成色胺，然后YUCCA以色胺为底物生成IAOx[8]。从色氨酸到IAOx这一转变是IAA和吲哚类芥子油苷合成过程共有的第一步，IAOx又是两物质合成路径的分支点[9]。与IAOx合成有多种途径类似，IAOx的代谢也有多种途径，一方面IAOx在CYP83B1的催化下朝着吲哚类芥子油苷生成的方向发展[10]。在拟南芥中，编码CYP83B1的sur2基因过量表达，植物体内吲哚类芥子油苷的含量就增加，其形态表现和IAA缺乏时一致；sur2发生突变后其形态表现却和IAA过量时一致，表现为极性增强、不定根数量增加[9]。这表明CYP83B1在IAA和吲哚类芥子油苷的生物合成过程中有重要作用——催化IAOx生成吲哚类芥子油苷。另外，在IAOx向吲哚类芥子油苷转变的过程中，C-S裂解酶也起了关键的催化作用。拟南芥sur1突变体表现为IAA水平较高，而几乎检测不到吲哚类芥子油苷，原因就在于缺失了sur1编码的C-S裂解酶，从而导致了该酶底物IAOx的积累，使IAA的合成被促进[11]。另一方面，IAOx也可以向生成IAA的方向发展，首先生成吲哚-3-乙腈，然后在腈水解酶(nitrilase)的作用下生成IAA。IAA和吲哚类芥子油苷的生物合成中的CYP79B2/CYP79B3和YUCCA途径也存在相互作用，YUCCA途径中的中间产物色胺对CYP83B1有抑制作用。YUCCA活性是该途径生成IAA过程中的限速步骤，当其活性受到抑制，就会使色胺的水平升高，从而抑制CYP83B1的活性，并最终使来源于CYP79B2/CYP79B3途径生成的IAA增多[12]。2茉莉酸、水杨酸和乙烯对芥子油苷生物合成的调节茉莉酸(JA)、水杨酸(SA)等植物激素是植物防卫反应过程中重要的信号物质。许多研究表明，芥子油苷的生物合成受到JA和SA的调节。在欧白芥(Sinapisalba)中，茉莉酸甲酯(methyljasmonate,MeJA)处理使酪氨酸合成羟苯芥子油苷的能力大大增强[13]。在欧白芥和油菜中，MeJA处理能使吲哚-3-甲基芥子油苷(indole-3-ylmethylglucosinolate,i-3ylm)的含量增加[14]。在拟南芥和油菜中，MeJA处理使i-3ylm与N-甲氧吲哚-3-甲基芥子油苷(N-methoxyindole-3-ylmethylglucosinolate,Nmi-3ym)的含量均升高[15]。此外，SA处理能使油菜叶片中芥子油苷总体水平提高，其中以苯乙基芥子油苷含量增加最显著[16]。植物激素中的JA、SA和乙烯与植物的防卫反应关系密切，它们通过使植物产生病程相关蛋白(pathogenesis-relatedprotein,PR蛋白)或植物防御素(plantdefensin,PDF)等方式诱导植物产生系统获得性抗性(systemicacquairedresistance,SAR)和系统诱导性抗性(inducedsystemicresistance,ISR)，抵御病源微生物的侵害。这些激素在植物的防卫反应中存在相互协同或拮抗的作用，依照一定的顺序在防卫反应中发挥功能。已经发现，芥子油苷及其降解产物在植物对昆虫和病原微生物的抗性中发挥作用[17]。近年来的研究表明，在植物的防卫反应中，植物激素和芥子油苷之间有着密切的关系，植物激素可以通过诱导某些特殊种类的芥子油苷的生成来抵御病原微生物的入侵。在拟南芥中,细菌性病原菌胡萝卜软腐欧文氏菌制备的激发子能诱导与色氨酸生物合成和氧化相关的基因的协同表达。在激发子诱导过程中，吲哚类芥子油苷i-3ylm的含量特异性地增加，而吲哚衍生的植物抗毒素camalexin则几乎检测不到。由于在茉莉酸不敏感突变体coi1-1中不能诱导吲哚类芥子油苷的产生，因此，这一反应是由JA介导的；与此相一致，Me-JA能引起吲哚类芥子油苷的积累[15]。这与Me-JA能引起吲哚类芥子油苷积累的其他报道是一致的[14]。相反，乙烯和SA在该效应中的作用微乎其微[15]。它们不能引起吲哚类芥子油苷水平的改变，而Me-JA或激发子则能诱导乙烯不敏感突变体ein2-1中吲哚类芥子油苷的积累，且效应与野生型一致。另外，吲哚类芥子油苷的降解产物能抑制胡萝卜软腐欧文氏菌的生长，这也说明吲哚类芥子油苷在植物防御细菌病原物中起着重要作用[15]。Mikkelsen等[18]对植物激素JA、SA和乙烯在拟南芥防卫反应中的相互作用，特别是它们对芥子油苷生物合成中的关键酶的表达以及芥子油苷种类的调节中的相互作用进行了系统的研究，同时也研究了这些激素在调节病程相关蛋白(PR1)和植物防御素(PDF1.2)中的相互作用[18]。从3种植物激素对芥子油苷生物合成酶的影响来看，只有JA能增强芥子油苷生物合成酶CYP79家族的表达，尤其是JA能大大增强与吲哚类芥子油苷生物合成相关的CYP79B2和CYP79B3基因的表达，Me-JA处理能使吲哚类芥子油苷的总含量增加3~4倍，特别是使吲哚类芥子油苷i-3ym和Nmi-3ym的含量明显升高。SA处理对芥子油苷生物合成酶的表达及芥子油苷产物的影响不明显，仅使4-甲氧吲哚-3-甲基芥子油苷(4-methoxyindole-3-ylmethylglucosinolate,4mi-3ym)的含量稍升高；与之类似，单独乙烯处理对芥子油苷生物合成酶的表达及芥子油苷产物的影响不明显，仅使4mi-3ym的含量稍升高。值得注意的是，与脂肪类芥子油苷生物合成相关的CYP79F1和CYP79F2基因的表达较少受到JA等植物激素的调节，这一类芥子油苷更多地受到遗传因素的控制，而受外界环境的影响较小。不同激素在调节芥子油苷的生物合成上存在相互作用。CYP79的表达受到MeJA的诱导，却受到乙烯前体ACC的抑制，与之类似，Nmi-3ym的生物合成受到JA的强烈诱导，但这种诱导明显受到乙烯的抑制；在乙烯响应突变体ctrl中，Nmi-3ym的含量比野生型高，这些证据都表明，吲哚类芥子油苷的诱导以及i-3ym向Nmi-3ym的转化过程受到JA的正向调节和乙烯的负向调节。在内源SA含量增加的突变体cprl中，芥子油苷的总体水平下降，JA对吲哚类芥子油苷的特异性诱导受到抑制，表明在诱导吲哚类芥子油苷的生物合成上两者存在相互拮抗的作用。SA和乙烯均能诱导4mi-3ym的生物合成，JA不仅单独不能诱导其合成，还会抑制ACC诱导4mi-3ym的生成，表明i-3ym向4mi-3ym的转化过程受到SA、乙烯的正向调节和JA的负向调节。由此可见，吲哚类芥子油苷不同种类之间转化受到植物激素的精