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植物学报ChineseBulletinofBotany2010,45(2):137–148,——————————————————收稿日期:2009-03-30;接受日期:2009-07-09基金项目:973计划(No.2007CB108805)和上海市科学技术委员会资助(No.08391911800)*通讯作者。E-mail:kxtang1@163.com植物内源茉莉酸类物质的生物合成途径及其生物学意义蒋科技1,2,皮妍1,侯嵘1,唐克轩1,3*1复旦大学生命科学学院,上海200433;2中国水产科学研究院东海水产研究所,上海2000903上海交通大学农业与生物学院,上海200240摘要茉莉酸类物质(JAs)是新确认的一类广泛存在于植物体内的内源激素,在植物的生长发育、应激反应和次生代谢过程中起着重要的调控作用。该文主要概述了植物中茉莉酸类物质的生物合成途径、各关键酶的生理作用及其在植物次生代谢工程等方面的研究进展,并探讨了茉莉酸类物质的潜在应用价值。关键词生物合成途径,茉莉酸类物质,茉莉酸,次生代谢蒋科技,皮妍,侯嵘,唐克轩(2010).植物内源茉莉酸类物质的生物合成途径及其生物学意义.植物学报45,137–148.茉莉酸(jasmonicacid,JA)及其挥发性甲酯衍生物茉莉酸甲酯(methyl-jasmonate,MeJA,也称为甲基茉莉酸)和氨基酸衍生物统称为茉莉酸类物质(jasmonates,JAs),也称为茉莉素、茉莉酮酸和茉莉酮酯,是植物体内起整体性调控作用的植物生长调节物质。因茉莉酸类物质是茉莉属(Jasminum)等植物中香精油的重要成分故而得名,其进化地位和生理作用与动物中的前列腺素有类似之处。游离的茉莉酸于1971年首先从肉桂枝枯病菌(Lasiodiplodiathebro-mae)的培养液中被分离出来。后来发现JAs在植物界中普遍存在,广泛分布于植物的幼嫩组织、花和发育的生殖器官中(WasternackandHause,2002),通过信号转导途径调控植物生长发育和应激反应。归纳起来,JAs的生理效应,一方面与植物的生长发育相关,包括种子的萌发与生长,器官的生长与发育,植物的衰老与死亡,参与光合作用过程等;另一方面与自身的防御系统相关,如在外界机械创伤、病虫害防御、不利的环境因子胁迫等信号转导中起信使作用,可诱导一系列植物防御基因的表达、防御反应化学物质的合成等,并调节植物的“免疫”和应激反应(Lietal.,2002a;吴劲松和种康,2002;孙清鹏和王小菁,2003;Howe,2004;Wasternacketal.,2006)。茉莉酸合成途径的激活对于应激信号的传递和放大是必不可少的(Lietal.,2002b)。随着对茉莉酸类物质研究的逐渐深入,其生物学作用的重要性越来越凸显出来。本文综述了植物内源茉莉酸类物质的生物合成途径、途径中关键步骤、关键酶的代谢调控和产物的生理学作用及其在次生代谢工程中的研究进展和应用前景。1茉莉酸类物质的生物合成途径茉莉酸类物质生物合成途径的研究始于1990年左右,在多种单子叶和双子叶植物中已进行了十几年的探索。尤其是拟南芥(Arabidopsisthaliana)和番茄(Lycopersiconesculentum)已成为研究茉莉酸途径的模式植物,同时在苔藓和珊瑚虫中也有相关的研究报道。JA合成途径中各个酶的功能与作用已基本得到阐明,同时有关JA合成途径与其它代谢支路的相互关系的研究也越来越多。但由于生物体中代谢途径往往是相互交联的复杂网络,而非简单的单向代谢流,根据其研究侧重点的不同,与JAs合成相关的代谢途径也可被称为羟脂(oxylinpin)合成途径和硬脂酸(octadecanoid)合成途径等。底物不同化学位点上的催化反应、同一位点上的不同反应、合成酶程度各异的特异性和广谱性以及一些反应中的光学异构现象共同赋予了这条生物合成途径的复杂性,同时使该途径上的酶的催化特性、酶的进化地位等问题也受到了·特邀综述·138植物学报45(2)2010广泛关注。JAs的合成,究其本质是以从细胞膜上释放的亚麻酸(以及亚油酸)为底物开始的一连串酶反应。首先,脂氧合酶(lipoxygenase)以α-亚麻酸(α-linolenicacid)为底物合成13S-氢过氧亚麻酸((13S)-hydroperoxy-(9Z,11E,15Z)-octadecatrienoicacid,13-HPOT),接着丙二烯氧化物合酶(alleneoxidesynthase,AOS)和丙二烯氧化物环化酶(alleneoxidecyclase,AOC)把13-HPOT转化为具有光学活性的12-氧-植物二烯酸(12-oxo-phytodienoicacid,OPDA)。该反应的中间产物为一种不稳定的丙二烯氧化物12,13(S)-epox-yoctade-catrienoicacid,它可不经催化直接水解成α-酮醇(α-ketol)、γ-酮醇(γ-ketol)和外消旋的OPDA。OPDA经过OPR3(OPDAreductase3)催化五元环上的双键进行的还原反应和3个β-氧化反应,形成茉莉酸(+)-7-iso-JA,(+)-7-iso-JA再经过甲酯化可生成甲基茉莉酸。JA合成途径所涉及的上游几个基因都定位于叶绿体中(Farmakietal.,2007),而β-氧化酶定位于过氧化物酶体(peroxisome),修饰茉莉酸的酶则存在于细胞质内。也有报道称拟南芥中与发育相关的JAs合成和与伤诱导相关的JAs合成是相互重叠的,但不完全相同,即植物中可能存在2条JA合成途径或者2种不同的合成调控通路,这给JA合成途径的研究带来了不小的难度,但同时也预示着存在更多对该合成途径进行调控的方式。JAs的生物合成途径见图1。2合成途径的关键步骤及关键酶的代谢调控2.1α-亚麻酸的释放JA合成途径的最初底物为亚麻酸(18:3),叶绿体中含有大量亚麻酸酯化的甘油脂和磷脂,从亚麻酸合成OPDA的过程是在叶绿体内完成的。在亚麻酸从膜上释放的过程中磷脂酶A可能起着重要的作用。实验表明,拟南芥雄性不育突变体defectiveantherdehis-cence(dad1)可以通过施加亚麻酸或者茉莉酸来恢复表型,这个突变体中被突变的蛋白DAD1就是磷脂酶A,它带有1个N端的叶绿体转运肽,能在叶绿体中累积,该基因的启动子在雄蕊发育期间被极大地激活。因此,磷脂酶A对于调节雄蕊发育时期JAs的合成是必需的。同时它也参与了番茄中伤诱导和茉莉酸类物质诱导的JA合成过程(Narvaez-Vasquezetal.,1999)。实验表明,磷脂酶D对植物激素和逆境反应具有重要的功能(瞿礼嘉等,2009)。在拟南芥和番茄中,磷脂酶D在伤诱导合成JAs的过程中也是必需的(Zienetal.,2001)。创伤可诱导野生型植株产生大量游离的亚油酸和亚麻酸,但在反义抑制磷酸酶D的转基因拟南芥中伤诱导仅使亚油酸和亚麻酸微量增加,而且JA的合成量和JA响应基因的表达量也有所减少。有趣的是,这些转基因植株都是雄性可育的,但植株中游离的亚麻酸比野生型中的要低,这可能是因为转基因植株中亚麻酸的含量还没低到造成雄性不育的程度。对这些现象可以做出一个解释——磷脂酶D对于伤诱导的JA合成是必需的,而对雄蕊发育的JA合成是非必需的。由此可见,α-亚麻酸的释放步骤以及其受到的调控对于JAs的合成和功能起着重要的奠基作用,其复杂性体现在不同的酶促反应和调控的多样性上,并有待在后续研究中进一步得到证实。2.2脂氧合酶及其代谢途径α-亚麻酸经脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)催化可生成一种脂肪酸氢过氧化物13-HPOT((13S)-hydrope-roxy-(9Z,11E,15Z)-octadecatrienoicacid),这是JAs合成的必需步骤。LOX定位于叶绿体,根据其催化位置的不同,可分为2种(图1):通向JA合成途径的为13-LOX,催化合成13-HPOT;另一种为9-LOX,催化合成9-HPOT,也与植物防御有关。在生物体中,LOX的作用和进化地位比较复杂。除了JA合成途径中的13-HPOT,生物体中其它多数脂肪酸氢过氧化物也都来源于LOX的作用,但也有少数的多聚不饱和脂肪酸(polyunsaturatedfattyacids,PUFAs)可以转化成α-hydro(pero)xyPUFAs,或由于自氧化作用变成dinorisoprostane等物质,这些化合物再引导出下游一系列的代谢途径。目前被阐明的脂肪酸氢过氧化物的代谢途径可分为4种(FeussnerandWasternack,2002)。(1)POX(peroxygenase)途径,曾被称为氢过氧化物异构酶(hydroperoxideisomerase)途径:分子间的氧转运把脂肪酸氢过氧化物转变成环氧(epoxy-)或者二氢烯醇脂肪酸(dihydrodiolpolyenoicfattyacid)。(2)丙二烯氧化物合酶(alleneoxidesynthase,AOS)途径:AOS曾被称为氢过氧化物脱水酶(hydroperoxidedehydratase),蒋科技等:植物内源茉莉酸类物质的生物合成途径及其生物学意义139图1茉莉酸类物质的生物合成途径Figure1Jasmonatebiosyntheticpathway140植物学报45(2)2010合成一种不稳定的丙二烯氧化物,这种氧化物不需酶催化即可水解成α-酮醇与γ-酮醇,或者在丙二烯氧化物环化酶的作用下转变成手性的12-氧-植物二烯酸((9S,13S)-12-oxo-phytodienoicacid,OPDA)(Ziegleretal.,2000),这个途径就是JA合成途径。(3)氢过氧化物裂解酶(hydroperoxidelyase,HPL)途径:催化脂肪酸碳骨架的氧化裂解,形成断链的醛(C6-或者C9-)和相应的C12-或者C9-脂肪酸。(4)联乙烯醚合酶(divinylethersynthase,DES)途径:该途径合成联乙烯醚(divinylether),如colneleicacid或colnelenicacid。除上述4条主要途径之外,还有其它尚未阐明的氢过氧化物代谢反应(FeussnerandWasternack,2002),如LOX催化的氢过氧化物酶(hydroperoxi-dase)反应途径、环氧乙醇合酶(epoxyalcoholsyn-thase,EAS)途径和还原酶(reductase)途径。这些途径使脂肪酸氢过氧化物的代谢途径具有非常复杂的多样性。2.3丙二烯氧化物合酶及其所属的酶家族丙二烯氧化物合酶可以认为是JA合成途径中第1个特异性的酶,它催化13-HPOT合成一种不稳定的丙二烯氧化物12,13(S)-epoxylinolenicacid。以LOX来源的脂肪酸氢过氧化物为底物的代谢通路存在一系列的分支点,在这些支路中,AOS、HPL和DES(Broecklingetal.,2005)通路已经被研究得比较清楚。编码这3条途径的酶的cDNA被大量克隆,并且都属于一个细胞色素P450亚家族,称为CYP74。与普通的P450单加氧酶相比,这些酶不需要分子氧,也不需要NAD(P)H依赖的细胞色素P450还原酶,它们与CO的结合力不强(StumpeandFeussner,2006),这也是这个亚家族区别于其它家族的特征。亚麻中的AOS是第1个被克隆的CYP74家族成员(SongandBrash,1991),因而AOS被归类为CYP74A。由于LOX具有催化位置特异性,可以使亚麻酸和亚油酸形成(9S)-和(13S)-氢过氧化物,因此,CYP74可分为9-或者13-氢过氧化物特异性或非特异性酶。亚麻中的AOS酶特异性地以(13S)-氢过氧化物为底物,命名为13-AOS,而小麦(Triticumaestivum