植物草酸代謝及調控研究進展

田 華 王 蘭 段美洋 黎國喜

摘要很多植物中都含有草酸,其代謝、運輸、分泌的機理,具有重要的理論和實際意義。綜述了植物草酸代謝及調控機理的研究近況,并對其研究前景作出了展望。

關鍵詞草酸;代謝;調控

中圖分類號Q946.81+5文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2009)08-0212-02

草酸是一種最簡單的二元羧酸,普遍存在于動植物體和微生物中,大多數植物中草酸含量可以達到干重的6%~10%。在早期的研究中,一般認為草酸是植物的一種代謝終產物,沒有明顯的生理作用。但越來越多的研究資料表明,草酸不僅具有一定的生理功能,而且在植物適應生物和非生物脅迫中具有重要意義[1,2]。草酸可能在調節細胞Ca2+濃度、促進硝酸還原、誘導植物抗病性、螯溶土壤中難溶性磷和抗鋁毒過程中起重要作用[3]。草酸具有螯溶難溶性磷的功能,因為草酸根陰離子能與鐵、鋁、鈣離子等固磷基質形成穩定的螯合物而使土壤中根際難溶性磷從鋁-磷、鐵-磷和鈣-磷及其他固磷基質中釋放出來而提高其有效磷含量[4,5]。最近的研究結果顯示,草酸還可能在植物的鐵營養效率中起重要作用。草酸誘導甜瓜對南瓜花葉病毒的系統抗性[6]。草酸可影響向日葵中的抗氧化系統[7]。草酸對多酚氧化酶具有抑制作用[8]。抗壞血酸對2,3-DPG的影響是由于草酸而引起的[9]。在熱脅迫處理前3d用草酸溶液噴灑葉片,結果表明:草酸預處理能減輕熱脅迫對細胞膜的傷害[10]。同時草酸也會改變內皮細胞中細胞內的鈣濃度[11]。草酸在生物中存在的普遍性,及其在植物抗逆過程的多種生理功能,都說明研究草酸代謝及其調控機理具有重要的理論和實際意義。現對植物體內的草酸代謝途徑及其與其他代謝的關系進行綜述,并對該領域的研究前景作出展望。

1草酸的合成代謝

草酸可以在一些植物體內大量積累,一般認為草酸主要在植物葉片中合成[12,13],但是其合成途徑尚未有定論。根據同位素示蹤定位的結果,合成草酸的可能前體物質有:乙醛酸、乙醇酸、抗壞血酸、草酰乙酸、異檸檬酸[14-18],其合成可能與以下3種途徑有關。

1.1光呼吸乙醇酸途徑

一些學者早期的研究表明,植物中的草酸含量與光合作用關系密切。Seal和Sen[19]證明棱角酢漿草中草酸濃度在光合高峰期增加,而在傍晚和夜間明顯下降。在光呼吸途徑闡明之后,證明草酸可能通過光呼吸途徑產生,即RuBP催化加氧而生成磷酸乙醇酸,進入光呼吸途徑而形成乙醛酸,乙醛酸再被氧化生成草酸[20]。Chang和Beevers[21]用C14-乙醇酸和C14-乙醛酸喂飼葉圓片,隨后檢測到帶有C14標記的草酸,表明乙醇酸和乙醛酸是草酸形成的有效前體。Fujii等[22]認為草酸合成與光呼吸直接相關,但也有相反報道,即一些植物的光呼吸強度和草酸形成并不呈同方向變化[23]。光呼吸途徑產生乙醇酸,乙醇酸在乙醇酸氧化酶的作用下生成乙醛酸。此外,乙醛酸還可以來自異檸檬酸的裂解[24]。通過同位素示蹤也證明,C14-異檸檬酸標記可以進入草酸,由此認為異檸檬酸也是草酸形成的可能前體之一。乙醇酸氧化酶(GO)是植物光呼吸途徑中的一個關鍵酶,它不但能催化乙醇酸氧化形成乙醛酸,也能催化乙醛酸氧化形成草酸。研究表明GO分布在細胞的過氧化物體內,是植物光呼吸的關鍵酶,可能影響植物光呼吸強弱及草酸的合成[25]。但體外酶活性測定結果卻表明,植物光呼吸強弱和GO活性似乎并不是植物中草酸積累的限制因子[26]。

許多試驗證明合成草酸的化合物代謝需要經過乙醛酸,但也有試驗表明草酸的合成可能存在另外一條途徑,即乙醇酸不經過乙醛酸而直接被乙醇酸脫氫酶(GAD)氧化為草酸。這個酶直接催化乙醇酸為草酸,并不形成乙醛酸作為中間代謝產物[27]。

1.2抗壞血酸途徑

同位素示蹤實驗發現草酸來自于抗壞血酸,因此認為抗壞血酸也是草酸的直接前體[28,29]。進一步研究發現,在菠菜、秋海棠和酢漿草等高草酸積累的植物中可能存在抗壞血酸分子C2/C3裂解生成草酸和酒石酸的反應,而無草酸積累的植物中則沒有發現抗壞血酸的這種轉化,并且其酶學基礎至今尚不清楚。另據報道,抗壞血酸可能先形成乙醛酸,再在乙醇酸氧化酶的作用下形成草酸[15],但也有相反報道。實驗室對芥藍、白菜、菠菜、蘿卜、香菜等植物葉片中的草酸含量與對應的抗壞血酸含量進行了相關分析,結果表明二者之間沒有相關性。目前還沒有確鑿的證據表明抗壞血酸途徑是所有植物體內草酸合成的主要途徑。

1.3草酰乙酸途徑

用同位素示蹤的方法證明草酰乙酸也是草酸形成的前體,草酰乙酸被草酰乙酸裂解酶裂解為草酸和乙酸[21]。同位素示蹤研究表明草酰乙酸、琥珀酸、天冬氨酸均是紅甜菜中草酸合成的有效前體[23]。植物中草酰乙酸的裂解途徑是否為草酸形成的主要途徑目前還不十分清楚,草酰乙酸裂解酶存在與否還沒有進一步的酶學證據,因此草酰乙酸途徑有待繼續探索。

2草酸的分解代謝

一般認為草酸是一種代謝終產物,形成后積累于液泡中或排出體外,不再參與其他代謝,但是在某些植物中發現草酸能繼續分解成CO2[23]。用同位素標記法也證明了草酸可重新成為光呼吸乙醇酸途徑的中間產物如乙醇酸、甘氨酸、絲氨酸和甘油酸等。分解草酸的酶可能是草酸氧化酶、脫羧酶或脫氫酶,但這些酶只有在為數不多的幾種植物中檢測到其活性[30]。因此,通常認為草酸轉變成上述化合物的過程是緩慢的,而且這種轉變可能并不是主要的合成途徑[25]。

3草酸含量與氮代謝的關系

銨態氮(NH4+)和硝態氮(NO3-)作為2種不同的氮源,會引起植株代謝上的差異,包括吸收其他離子的差異、根際pH值的差異和代謝物的差異[31]。而且不同形態的氮素營養條件會明顯改變植物中的草酸含量[23]。銨態氮下植物細胞還原能力較強,易形成還原性有機物;而硝態氮下植物細胞氧化能力強,易形成氧化性有機物,從而促進有機酸在植物體內的積累。通常銨態氮總是與低的草酸相聯系[23]。Palaniswamy等[32]研究馬齒莧葉片中的草酸含量達到最低時的營養液成分中銨態氮和硝態氮的比例,結果發現含有銨態氮的營養液培育出的馬齒莧比不含銨態氮所培育出的植株草酸含量低40%~50%,同時發現植株的干重、鮮重和葉面積等并不受銨態氮、硝態氮比例的影響。菠菜是一種草酸含量相對較高的植物,但是在以銨態氮為唯一氮源培養時,其草酸含量大大降低[23]。另外,對菠菜的研究同樣發現,其新葉中的草酸含量大于老葉,并且培養液中含有銨態氮的植株比不含有的草酸含量低35%~58%[33]。

在以菠菜和馬齒莧為材料分析不同氮素形態培養對草酸積累的影響時表明,提高硝態氮水平就意味著草酸積累增加,但高濃度的銨態氮往往導致銨中毒和生物量的降低[23]。高草酸含量的食用植物會引起腎草酸鈣結石等疾病,所以通過調節氮素營養來控制植物中的草酸含量在營養學上具有重要意義。實驗室以水稻為材料,研究不同氮素形態下草酸代謝的變化,結果表明,NH4+、NO3-是水稻草酸積累的有效調節因子;葉是草酸合成的主要場所,氮素形態對葉中草酸含量的影響是調節其代謝的結果,而不是向下運輸和向外分泌的差異所造成的[34]。

氮素調控和影響草酸積累的機制尚未清楚。植物生長狀況在很大程度上取決于根系的生長,其中植物生長介質的pH值變化是影響介質各種礦質養分及其有效性的最活躍因素之一[35]。而植物根際pH值變化的主要影響因素是植物對陰陽離子吸收的不平衡,而引起陰陽離子吸收不平衡的主要外界因素是不同的氮素形態。硝酸根離子在還原過程中產生大量的OH-,OH-可能誘導植物分泌有機酸[36]。

同時研究草酸積累與光合、光呼吸及暗呼吸速率的關系,發現它們與草酸含量沒有明顯的相關性。測定NH4+、NO3-下由乙醇酸、乙醛酸、抗壞血酸、草酰乙酸形成草酸的酶活性,結果表明,上述物質形成草酸的酶活性依次為乙醛酸>抗壞血酸>草酰乙酸>乙醇酸,并且處理間沒有顯著差異[34]。

4草酸代謝與硫代謝的關系及研究前景

植物中硫酸根的同化路徑:SO42-被還原為腺苷-5-磷酸硫酸酐(APS),APS被腺苷-5-磷酸硫酸酐還原酶(APR)還原為亞硫酸鹽,亞硫酸鹽進一步還原為硫化物,硫化物被OAS(thiol)lyase形成OAS,OAS可以形成半胱胺酸[37]。半胱氨酸可以進一步代謝生成蛋氨酸,或者直接合并為蛋白質或是具有重要功能的谷胱甘肽。半胱胺酸也是合成MT(金屬硫蛋白)、PC(植物螯合肽)的重要成分,MT和PC是細胞質中解重金屬毒害的重要小分子量蛋白質,在研究植物的抗性中具有重要意義。由此從OAS與硫化物合成半胱氨酸是聯系SO42-、NO3-和C同化的關鍵代謝步驟。

研究不同前體或代謝抑制劑對草酸積累的影響,結果表明,NH4+下外施乙醇酸時草酸含量較大幅度提高,能達到NO3-下水平,而此時乙醛酸含量顯著降低[34]。NO3-下外施亞硫酸氫鈉和半胱氨酸導致草酸含量顯著降低,可接近NH4+下水平,而此時乙醛酸含量提高,可能是在體內乙醛酸與亞硫酸根或半胱氨酸反應形成的產物抑制了從乙醛酸到草酸的反應。由此可以假設草酸調控的可能機理,即內源抑制因子與硫代謝有關,可能是SO32-和Cys、或Cys,進一步的研究可以圍繞草酸代謝與硫代謝的相互關系來進行探索。

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