植物草酸代謝及調(diào)控研究進(jìn)展

田 華 王 蘭 段美洋 黎國(guó)喜

摘要很多植物中都含有草酸,其代謝、運(yùn)輸、分泌的機(jī)理,具有重要的理論和實(shí)際意義。綜述了植物草酸代謝及調(diào)控機(jī)理的研究近況,并對(duì)其研究前景作出了展望。

關(guān)鍵詞草酸;代謝;調(diào)控

中圖分類號(hào)Q946.81+5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào) 1007-5739(2009)08-0212-02

草酸是一種最簡(jiǎn)單的二元羧酸,普遍存在于動(dòng)植物體和微生物中,大多數(shù)植物中草酸含量可以達(dá)到干重的6%~10%。在早期的研究中,一般認(rèn)為草酸是植物的一種代謝終產(chǎn)物,沒(méi)有明顯的生理作用。但越來(lái)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(yīng)生物和非生物脅迫中具有重要意義[1,2]。草酸可能在調(diào)節(jié)細(xì)胞Ca2+濃度、促進(jìn)硝酸還原、誘導(dǎo)植物抗病性、螯溶土壤中難溶性磷和抗鋁毒過(guò)程中起重要作用[3]。草酸具有螯溶難溶性磷的功能,因?yàn)椴菟岣庪x子能與鐵、鋁、鈣離子等固磷基質(zhì)形成穩(wěn)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(zhì)中釋放出來(lái)而提高其有效磷含量[4,5]。最近的研究結(jié)果顯示,草酸還可能在植物的鐵營(yíng)養(yǎng)效率中起重要作用。草酸誘導(dǎo)甜瓜對(duì)南瓜花葉病毒的系統(tǒng)抗性[6]。草酸可影響向日葵中的抗氧化系統(tǒng)[7]。草酸對(duì)多酚氧化酶具有抑制作用[8]?？箟难釋?duì)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(jié)果表明:草酸預(yù)處理能減輕熱脅迫對(duì)細(xì)胞膜的傷害[10]。同時(shí)草酸也會(huì)改變內(nèi)皮細(xì)胞中細(xì)胞內(nèi)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(guò)程的多種生理功能,都說(shuō)明研究草酸代謝及其調(diào)控機(jī)理具有重要的理論和實(shí)際意義?，F(xiàn)對(duì)植物體內(nèi)的草酸代謝途徑及其與其他代謝的關(guān)系進(jìn)行綜述,并對(duì)該領(lǐng)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(nèi)大量積累,一般認(rèn)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(jù)同位素示蹤定位的結(jié)果,合成草酸的可能前體物質(zhì)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(guān)。

1.1光呼吸乙醇酸途徑

一些學(xué)者早期的研究表明,植物中的草酸含量與光合作用關(guān)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(guò)光呼吸途徑產(chǎn)生,即RuBP催化加氧而生成磷酸乙醇酸,進(jìn)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(cè)到帶有C14標(biāo)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(rèn)為草酸合成與光呼吸直接相關(guān),但也有相反報(bào)道,即一些植物的光呼吸強(qiáng)度和草酸形成并不呈同方向變化[23]。光呼吸途徑產(chǎn)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(lái)自異檸檬酸的裂解[24]。通過(guò)同位素示蹤也證明,C14-異檸檬酸標(biāo)記可以進(jìn)入草酸,由此認(rèn)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(gè)關(guān)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(xì)胞的過(guò)氧化物體內(nèi),是植物光呼吸的關(guān)鍵酶,可能影響植物光呼吸強(qiáng)弱及草酸的合成[25]。但體外酶活性測(cè)定結(jié)果卻表明,植物光呼吸強(qiáng)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(yàn)證明合成草酸的化合物代謝需要經(jīng)過(guò)乙醛酸,但也有試驗(yàn)表明草酸的合成可能存在另外一條途徑,即乙醇酸不經(jīng)過(guò)乙醛酸而直接被乙醇酸脫氫酶(GAD)氧化為草酸。這個(gè)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(chǎn)物[27]。

1.2抗壞血酸途徑

同位素示蹤實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)草酸來(lái)自于抗壞血酸,因此認(rèn)為抗壞血酸也是草酸的直接前體[28,29]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),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(yīng),而無(wú)草酸積累的植物中則沒(méi)有發(fā)現(xiàn)抗壞血酸的這種轉(zhuǎn)化,并且其酶學(xué)基礎(chǔ)至今尚不清楚。另?yè)?jù)報(bào)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(bào)道。實(shí)驗(yàn)室對(duì)芥藍(lán)、白菜、菠菜、蘿卜、香菜等植物葉片中的草酸含量與對(duì)應(yīng)的抗壞血酸含量進(jìn)行了相關(guān)分析,結(jié)果表明二者之間沒(méi)有相關(guān)性。目前還沒(méi)有確鑿的證據(jù)表明抗壞血酸途徑是所有植物體內(nèi)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(méi)有進(jìn)一步的酶學(xué)證據(jù),因此草酰乙酸途徑有待繼續(xù)探索。

2草酸的分解代謝

一般認(rèn)為草酸是一種代謝終產(chǎn)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(fā)現(xiàn)草酸能繼續(xù)分解成CO2[23]。用同位素標(biāo)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(chǎn)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(shù)不多的幾種植物中檢測(cè)到其活性[30]。因此,通常認(rèn)為草酸轉(zhuǎn)變成上述化合物的過(guò)程是緩慢的,而且這種轉(zhuǎn)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(guān)系

銨態(tài)氮(NH4+)和硝態(tài)氮(NO3-)作為2種不同的氮源,會(huì)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(tài)的氮素營(yíng)養(yǎng)條件會(huì)明顯改變植物中的草酸含量[23]。銨態(tài)氮下植物細(xì)胞還原能力較強(qiáng),易形成還原性有機(jī)物;而硝態(tài)氮下植物細(xì)胞氧化能力強(qiáng),易形成氧化性有機(jī)物,從而促進(jìn)有機(jī)酸在植物體內(nèi)的積累。通常銨態(tài)氮總是與低的草酸相聯(lián)系[23]。Palaniswamy等[32]研究馬齒莧葉片中的草酸含量達(dá)到最低時(shí)的營(yíng)養(yǎng)液成分中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的比例,結(jié)果發(fā)現(xiàn)含有銨態(tài)氮的營(yíng)養(yǎng)液培育出的馬齒莧比不含銨態(tài)氮所培育出的植株草酸含量低40%~50%,同時(shí)發(fā)現(xiàn)植株的干重、鮮重和葉面積等并不受銨態(tài)氮、硝態(tài)氮比例的影響。菠菜是一種草酸含量相對(duì)較高的植物,但是在以銨態(tài)氮為唯一氮源培養(yǎng)時(shí),其草酸含量大大降低[23]。另外,對(duì)菠菜的研究同樣發(fā)現(xiàn),其新葉中的草酸含量大于老葉,并且培養(yǎng)液中含有銨態(tài)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(tài)培養(yǎng)對(duì)草酸積累的影響時(shí)表明,提高硝態(tài)氮水平就意味著草酸積累增加,但高濃度的銨態(tài)氮往往導(dǎo)致銨中毒和生物量的降低[23]。高草酸含量的食用植物會(huì)引起腎草酸鈣結(jié)石等疾病,所以通過(guò)調(diào)節(jié)氮素營(yíng)養(yǎng)來(lái)控制植物中的草酸含量在營(yíng)養(yǎng)學(xué)上具有重要意義。實(shí)驗(yàn)室以水稻為材料,研究不同氮素形態(tài)下草酸代謝的變化,結(jié)果表明,NH4+、NO3-是水稻草酸積累的有效調(diào)節(jié)因子;葉是草酸合成的主要場(chǎng)所,氮素形態(tài)對(duì)葉中草酸含量的影響是調(diào)節(jié)其代謝的結(jié)果,而不是向下運(yùn)輸和向外分泌的差異所造成的[34]。

氮素調(diào)控和影響草酸積累的機(jī)制尚未清楚。植物生長(zhǎng)狀況在很大程度上取決于根系的生長(zhǎng),其中植物生長(zhǎng)介質(zhì)的pH值變化是影響介質(zhì)各種礦質(zhì)養(yǎng)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(duì)陰陽(yáng)離子吸收的不平衡,而引起陰陽(yáng)離子吸收不平衡的主要外界因素是不同的氮素形態(tài)。硝酸根離子在還原過(guò)程中產(chǎn)生大量的OH-,OH-可能誘導(dǎo)植物分泌有機(jī)酸[36]。

同時(shí)研究草酸積累與光合、光呼吸及暗呼吸速率的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)它們與草酸含量沒(méi)有明顯的相關(guān)性。測(cè)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(jié)果表明,上述物質(zhì)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(méi)有顯著差異[34]。

4草酸代謝與硫代謝的關(guān)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(jìn)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(jìn)一步代謝生成蛋氨酸,或者直接合并為蛋白質(zhì)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(xì)胞質(zhì)中解重金屬毒害的重要小分子量蛋白質(zhì),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(lián)系SO42-、NO3-和C同化的關(guān)鍵代謝步驟。

研究不同前體或代謝抑制劑對(duì)草酸積累的影響,結(jié)果表明,NH4+下外施乙醇酸時(shí)草酸含量較大幅度提高,能達(dá)到NO3-下水平,而此時(shí)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(dǎo)致草酸含量顯著降低,可接近NH4+下水平,而此時(shí)乙醛酸含量提高,可能是在體內(nèi)乙醛酸與亞硫酸根或半胱氨酸反應(yīng)形成的產(chǎn)物抑制了從乙醛酸到草酸的反應(yīng)。由此可以假設(shè)草酸調(diào)控的可能機(jī)理,即內(nèi)源抑制因子與硫代謝有關(guān),可能是SO32-和Cys、或Cys,進(jìn)一步的研究可以圍繞草酸代謝與硫代謝的相互關(guān)系來(lái)進(jìn)行探索。

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