PEPCase在植物有機酸代謝中的研究進展

徐新娟，衛(wèi)秀英

（河南科技學院，河南新鄉(xiāng)， 453003）

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（Phosphoenolpyruvate carboxylase，EC4.1.1.31），簡稱 PEPCase，是廣泛存在于植物細胞質(zhì)中的一種酶，催化磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）與HCO3-反應生成草酰乙酸和無機磷，以往研究大多側(cè)重于PEPCase在C4和CAM植物光合代謝中的關鍵作用，而很少涉及其在C4和CAM植物的非光合組織以及在C3植物中的一些用途[1].PEPCase主要存在于高等植物和細菌中，在動物和酵母中很少發(fā)現(xiàn)[2].PEPCase在植物代謝中發(fā)揮著重要作用，本文就其對植物有機酸代謝的調(diào)節(jié)作用作一綜述.

1 PEPCase的生理特性及功能

PEPCase是由四個相同亞基組成的四聚體，每個亞基的分子量為95-110KDa.X-射線衍射試驗證實了PEPCase的三維晶體結(jié)構[3].高等植物中的PEPCase有很多種同功酶形式，幾乎遍布根、莖、果實和種子等所有器官.已知擬南芥的基因組包含四個PEPCase的編碼基因[4]，它們分別在不同的植物器官中表達.Lebouteiller等研究發(fā)現(xiàn)PEPCase存在于種子的大多組織和胚胎，并由此推測PEPCase可能涉及貯藏物質(zhì)的合成[1].此外，PEPCase是一種變構酶，其活性能被輔酶A所激活，而被天冬氨酸所抑制[3].

在高等植物中，PEPCase除了在C4和CAM植物的光合作用中起到最關鍵的作用外，還對C3植物大量的生物合成反應，例如通過回補途徑的方式為氨基酸的合成提供碳架.PEPCase在C3植物的硝酸還原和氨同化過程中也有著重要作用，即光激活硝酸還原和光呼吸產(chǎn)氨時，線粒體通過PEPCase提供草酰乙酸或蘋果酸的途徑得到增強.這可能是因為草酰乙酸的供應增加，使蘋果酸/草酰乙酸循環(huán)加快，細胞質(zhì)中還原力的供應也加快，而這正是硝酸還原所需要的.PEPCase還參與一些代謝聯(lián)系及共價控制的調(diào)節(jié)，如細胞質(zhì)的pH和離子平衡、果實發(fā)育、種子的萌發(fā)和發(fā)育以及氣孔開放、共生固氮等[5].

2 PEPCase在植物有機酸代謝中的關鍵作用

2.1 PEPCase推動三羧酸循環(huán)的順利進行

植物的有機酸代謝主要是經(jīng)細胞的呼吸作用途徑，由線粒體的三羧酸循環(huán)（TCA-cycle）產(chǎn)生有機酸，再運送至細胞質(zhì)或液泡累積貯存.當三羧酸循環(huán)中的碳架轉(zhuǎn)運到氮同化、氨基酸生物合成中時，PEPCase會及時的為其提供碳架，以保證循環(huán)的順利進行.因此，除了重新捕獲呼吸釋放的CO2，PEPCase的另一個關鍵作用就是補償三羧酸循環(huán)中的碳架[2]，從而調(diào)節(jié)植物的有機酸代謝（圖1[6]）.換句話說，PEPCase控制著有機酸的合成及其進一步的積累.Famiani等通過免疫組織化學方法發(fā)現(xiàn)一種緊密結(jié)合在葡萄脈管系統(tǒng)的PEPCase蛋白，證實PEPCase在同化物向果實運輸?shù)拇x過程中可能發(fā)揮著重要作用[7].

2.2 PEPCase調(diào)控果實有機酸的代謝

PEPCase在有機酸代謝的研究側(cè)重于果實方面.研究發(fā)現(xiàn)果實發(fā)育中有機酸的積累被高度調(diào)控，植物有機酸合成的關鍵酶PEPCase可能參與果實發(fā)育中主要有機酸的合成，如蘋果酸和檸檬酸[8].這個存在于細胞質(zhì)的酶被高度調(diào)控[2].它催化PEP羧化產(chǎn)生的OAA被NAD-MDH還原成蘋果酸，OAA和蘋果酸進入到三羧酸循環(huán)生成檸檬酸.PEPCase也控制著有機酸的積累.然而，關于果實中PEPCase的性質(zhì)和功能研究卻很少[9].Guillet等研究了PEPCase在番茄果實發(fā)育及有機酸積累中的作用，提出番茄果實PEPCase存在兩種同功酶，分別由LYCes;Ppc1和LYCes;Ppc2編碼[10].其中，LYCes;Ppc1在番茄的果實和其他器官中均有表達，而LYCes;Ppc2僅在番茄果實細胞分裂期結(jié)束到果實成熟時有強烈的特異性表達，在此期間PEPCase蛋白含量和酶活性均顯著增加，與此同時果實內(nèi)蘋果酸和檸檬酸含量也顯著增加.以上結(jié)果表明番茄果實發(fā)育過程中LYCes;Ppc2在有機酸合成中發(fā)揮著重要的作用.原位雜交試驗表明，LYCes;Ppc2主要在果實表皮細胞和靠近種子、體積正在膨大的凝膠細胞中表達[10].因此在番茄果實發(fā)育中，PEPCase很可能參與有機酸的合成從而提供細胞擴大所必需的膨壓.

果實發(fā)育中成熟果實有機酸的最終含量主要由三步控制：發(fā)育早期階段的合成、液泡儲存及成熟時期的再動員[5].文濤等在臍橙上的研究表明，PEPCase活性是臍橙果實有機酸合成的關鍵酶，其活性與有機酸含量呈極顯著正相關[11].Moing等比較了有機酸含量不同的兩種桃樹果實，發(fā)現(xiàn)在果實含酸量高的Fantasia品種中，PEPCase基因表達水平及蛋白含量都在開花后23 d和108 d時達到頂峰，而在果實含酸量低的Jasousia品種開花后23 d時很低，直到108 d才達到與Fantasia品種相似的水平[5]，表明PEPCase可能參與了正常含酸量果實（Fantasia）發(fā)育過程中有機酸的積累，這與Saradhuldhat等人在菠蘿上的研究結(jié)果一致[12].

2.3 PEPCase緊密聯(lián)系植物體內(nèi)的碳氮代謝

植物體內(nèi)有機酸代謝與氮代謝、碳同化是緊密相關的[13].α-酮戊二酸是氨基酸合成的前體，也是供NO3-和NH4+植物同化所必需的一種有機酸.Britto and Kronzucker在無機氮同化模型中提出，NH4+同化所需的碳架α-酮戊二酸就是通過三羧酸循環(huán)產(chǎn)生的[14]，是碳、氮代謝的樞紐[13].而這里的α-酮戊二酸主要來源于線粒體的三羧酸循環(huán).因此，PEPCase在推動三羧酸循環(huán)的同時，對植物體內(nèi)的氮同化也發(fā)揮著間接的調(diào)控作用.換言之，PEPCase的存在將植物細胞中的碳氮代謝緊密聯(lián)系起來，見圖2[15].

圖1 PEPCase在植物體內(nèi)有機酸代謝中的作用

圖2 PEPCase聯(lián)系植物細胞中的碳氮代謝

由于PEPCase在作物的氮素同化過程中也發(fā)揮著不可替代的重要作用，所以高等植物中PEPCase活性受氮素形態(tài)的影響很大.蘋果酸是供NO3-植物所必需的一種有機酸，因為NO3-的吸收需要蘋果酸的參與.已經(jīng)證明，這些蘋果酸酸可能是PEPCase催化的回補反應生成的草酰乙酸直接在蘋果酸脫氫酶的作用下生成的，PEPCase是該過程的關鍵酶[2].Sagi等在黑麥草上的研究發(fā)現(xiàn)：PEPCase活性在銨硝混合培養(yǎng)下最高，全硝培養(yǎng)次之，全銨培養(yǎng)最低[16].同樣的試驗證明增銨處理能顯著增強番茄葉片和果實的PEPCase活性[17].因此，PEPCase的羧化可能并不是主要為果實生長提供所需的碳水化合物，而是重新固定果實呼吸所釋放的CO2，并積累蘋果酸和檸檬酸，以維持細胞膨壓的穩(wěn)定[18].董園園等的試驗結(jié)果表明，等氮量供應不同形態(tài)氮素時，100%NO3-處理下果實PEPCase活性在青果期達到最高值后急劇下降，而NO3-/NH4+=75%/25%時該酶在果實發(fā)育前期一直保持較高活性直至果實膨大期后才急劇下降，表明果實PEPCase的活性顯著受到外源供氮形態(tài)的影響[17].但其影響的機理還不明確，有待于進一步研究取證.

3 小結(jié)及展望

有機酸代謝決定果實的品質(zhì)及風味的重要因子之一，了解其代謝機制，對未來結(jié)果類作物的品種改良及分子遺傳研究，都有相當大的幫助.植物有機酸代謝是一個極為復雜的過程，這些過程相互聯(lián)系且協(xié)調(diào)統(tǒng)一，共同控制著有機酸代謝的進行.PEPCase在植物有機酸代謝中的關鍵作用決定了其不可替代的重要地位，但其調(diào)控機理還不是很清楚.因此，今后應從以下幾個方面進行研究：①PEPCase與其它有機酸代謝酶的關聯(lián)與調(diào)控機制，如檸檬酸代謝關鍵酶（檸檬酸合成酶、順烏頭酸酶、NAD-異檸檬酸脫氫酶等）及蘋果酸代謝關鍵酶 （NAD-蘋果酸脫氫酶、NADP-蘋果酸酶）等；②在分子水平上研究PEPCase和其他有機酸代謝關鍵酶基因的表達差異；③在此基礎上，研究不同外界條件下（如不同形態(tài)氮素處理）PEPCase的活性變化及表達差異.加強這幾方面的研究不僅能從理論上闡明PEPCase在植物體內(nèi)有機酸代謝中的關鍵作用，而且為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中植物有機酸代謝的調(diào)控提供更多的理論依據(jù)和新的思路.

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