橡膠草可作為產(chǎn)膠研究的模式植物

莊玉粉++郭秀麗++劉進平

摘 要 對天然橡膠生物合成途徑進行綜述，并根據(jù)橡膠草和巴西橡膠樹的生物學(xué)特點，提出將橡膠草作為研究橡膠生物合成的模式植物。橡膠草作為產(chǎn)膠模式植物，將會極大地推動天然橡膠生物合成與調(diào)控機理的研究，提高目前的科研產(chǎn)出。

關(guān)鍵詞 天然橡膠 ；生物合成 ；橡膠草 ；巴西橡膠樹 ；模式植物

分類號 S7 ；Q945.11

Russian Dandelion： An Excellent Model Plant

for the Study of Rubber Production

ZHUANG Yufen GUO Xiuli LIU Jinpin

（Hainan Key Laboratory for Sustainable Utilization of Tropical Bioresources /

College of Agronomy， Hainan University， Haikou，Hainan 570228）

Abstract The biosynthesis pathway of natural rubber was reviewed， and Russian dandelion （Taraxacum koksaghyz） was proposed as a model plant for studies of rubber biosynthesis based on the comparison of the biological characteristics of Russian dandelion and rubber tree （Hevea brasiliensis）. We believe that it will greatly promote the research in the natural rubber biosynthesis and its regulation mechanism， and increase the research output for this area regarding Russian dandelion as a mode plant for the study of rubber production.

Keywords natural rubber ； rubber biosynthesis ； Russian dandelion ； rubber tree ； model plant

天然橡膠是世界上的四大工業(yè)原料之一，被廣泛運用在國防、交通運輸、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、機械制造、醫(yī)藥衛(wèi)生和日常生活等多個方面，是國防和工業(yè)制造中不可或缺的原料。天然橡膠目前主要是從橡膠樹上收獲而得的，它的主要成分為聚異戊二烯（cis-1，4，-polyisoprene），是利用光合作用制造的同化物，經(jīng)次生代謝途徑而生物合成。雖然天然橡膠的合成研究已取得了不少進展，但由于巴西橡膠樹自身的生物學(xué)特點，存在對天然橡膠生物合成研究的瓶頸，為了推動天然橡膠生物合成與調(diào)控機理的研究，提高目前的科研產(chǎn)出，探討以巴西橡膠樹替代作物橡膠草作為模式生物研究橡膠生物合成的可能性。

1 天然橡膠的生物合成

天然橡膠生物合成大體可分為兩步：第一步是前體物合成；第二步是橡膠鏈的合成。

1.1 前體物合成

橡膠生物合成所需要的單體模塊為異戊二烯焦磷酸（isopentenyl pyrophosphate， IPP或IDP），起始分子包括3，3-二甲基丙烯基焦磷酸（dimethylallyl pyrophosphate， DMAPP或DMADP）、牻牛兒基焦磷酸（geranyl pyrophosphate， GPP或GDP）、法尼基焦磷酸（farnesyl pyrophosphate， FPP或FDP）和牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸（geranylgeranyl pyrophosphate， GGPP或GGDP）[1]。

橡膠前體物被認為是通過細胞質(zhì)中的甲羥戊酸（mevalonic acid， MVA）途徑合成的[1]。Sando等[2]曾利用位素示蹤表明橡膠生物合成是通過MVA途徑，而不是通過質(zhì)體中的2-甲基-D-赤蘚糖醇-4-磷酸（2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate， MEP）途徑。但他們是利用橡膠35 d的實生苗進行示蹤實驗的，成熟的橡膠樹膠乳合成是否也如此不得而知。鑒于越來越多的證據(jù)表明，這兩條途徑存在串擾（crosstalk）和共同的類異戊二烯前體物相互交換[3-4]，因此也不能排除在橡膠合成過程中這兩條途徑存在互相作用和產(chǎn)物互換（圖1）。在橡膠膠乳和葉片中發(fā)現(xiàn)5-磷酸脫氧木酮糖合成酶（1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase， DXS）表達說明，可能在乳管中存在MEP途徑[5]。最近對橡膠樹死皮樹錄組分析表明，合成IPP的這兩條途徑的關(guān)鍵酶基因都明顯下調(diào)[6]，顯示天然橡膠合成中MVA和MEP途徑可能存在某種方式的互作。

MEP途徑主MVA途徑和前體物都是來源于光合作用的產(chǎn)物——蔗糖。MEP途徑的前體物3-磷酸甘油醛（glyceraldehyde phosphate，GAP）和丙酮酸為糖酵解產(chǎn)物，而MVA途徑的前體物乙酰-CoA是經(jīng)糖酵解和三羧酸循環(huán)途徑生成的。

MEP途徑中，DXS催化GAP和丙酮酸的酮醇偶聯(lián)縮合生成5-磷酸脫氧木酮糖（1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate，DXP）。DXP由5-磷酸脫氧木酮糖還原異構(gòu)酶（DXP reducto-isomerase，DXR或IspC）催化形成MEP。MEP向二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藻糖[4-（cytidine-5′-diphospho）-2-C-methyl-D-erythritol或4-diphosphocytidyl-2-C-methyl-D-erythritol，CDP-ME]轉(zhuǎn)變則由4-磷酸胞苷-2-甲基赤蘚糖合成酶（CDP-ME synthase，MCT、CMS或IspD）催化。之后CDP-ME激酶（CDP-ME kinase，CMK或IspE）使CDP-ME磷酸化形成4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藻糖醇-2-磷酸（4-diphosphocytidyl-2-Cmethyl-D-erythritol-2-phosphate，CDP-MEP）。CDP-MEP環(huán)化形成2-C-甲基-D-赤藻糖醇-2，4-環(huán)二磷酸（2-C-methyl-D-erythritol-2，4-cyclodiphosphate，MEP-cPP）則由MEP-cPP合成酶（MEP-cPP synthase，MDS或IspF）催化。MEP-cPP形成（E）-4-羥基-3-甲丁-2-烯基二磷酸（4-hydroxy-3-methylbut-2-enyl diphosphate，HMBPP）由HMBPP合成酶或1-羥基-2-甲基-2-（E）-丁烯-4-二磷酸合成酶（HMBPP synthase，HDS或IspG）催化。然后HMBPP還原酶（HMBPP reductase，HDR或IspH）催化HMBPP形成IPP和DMAPP。IPP異構(gòu)酶（IPP isomerase， IDI或IPI）可催化IPP和DMAPP相互轉(zhuǎn)化。

MVA途徑的第一步反應(yīng)是乙酰-CoA在乙?；D(zhuǎn)移酶（acetyl-CoA acetyltransferase， AACT）催化下，2分子乙酰-CoA縮合成乙酰乙酰-CoA（acetoacetyl coenzyme A）。乙酰乙酰-CoA經(jīng)3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A合成酶（3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A synthase， HMGS）催化合成3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A（3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A， HMG-CoA）。之后經(jīng)HMG-CoA 還原酶（HMG-CoA reductase， HMGR）催化還原成MVA。MVA經(jīng)兩步磷酸化過程，經(jīng)甲羥戊酸激酶（mevalonate kinase， MVK）催化形成甲羥戊酸-5-磷酸（5-phosphomevalonate， MVP或MVAP），經(jīng)甲羥戊酸-5-磷酸激酶（phosphomevalonate kinase， PMK或 PMVK）形成甲羥戊酸-5-焦磷酸（5-diphosphomevalonate， MVPP或MVAPP）。MVPP經(jīng)甲羥戊酸-5-焦磷酸脫羧酶（mevalonate-5-pyrophosphate decarboxylase， PMD或MVD）脫羧形成IPP。IPP和DMAPP可經(jīng)IDI相互轉(zhuǎn)化。IPP在法尼基焦磷酸合成酶（farnesyl pyrophosphate synthase， FPS）的作用下與DMAPP合成FPP。

需要說明的是，除形成橡膠外，IPP、DMAPP、GPP、FPP和GGPP等可進一步形成異戊二烯單元組成的其他化合物及其衍生物，包括單萜類（如薄荷醇）、雙萜類（如赤霉素、脫落酸、蓖麻烯）、倍半萜類（如衣殼醇）、異戊二烯基類（如細胞分裂素）、多聚異戊二烯醇（如多萜醇、酶Q、質(zhì)體醌、類胡蘿卜素、葉綠素）、固醇類（如菜油甾醇）等次生代謝產(chǎn)物[7]。

1.2 橡膠鏈的合成

天然橡膠主要成份為聚異戊二烯（cis-1，4-polyisoprene），聚異戊二烯鏈在橡膠粒子表面合成。橡膠粒子存在于巴西橡膠樹[Hevea brasiliensis （Willd. ex. A.Juss.） Muell. Arg]的膠乳細胞中。

橡膠鏈的合成中，起始過程需要1 分子反式構(gòu)型的烯丙基焦磷酸（如DMAPP、GPP、FPP 或GGPP）作為起始分子或引物。反式-異戊烯轉(zhuǎn)移酶（transprenyltransferase， TPT）催化IPP單體以反式構(gòu)型頭尾相接地摻入DMAPP，產(chǎn)生GPP、FPP和GGPP（圖2）。DMAPP、GPP、FPP和GGPP等雖然都可以作起始分子，但以橡膠樹等物種的體外橡膠生物合成中，F(xiàn)PP起始的橡膠合成最有效率。加上FPP是在細胞質(zhì)中合成，因此在橡膠樹中FPP是最有可能的起始分子[1，8-9]。

順式-異戊烯基轉(zhuǎn)移酶（cis-prenyltransferase， CPT）催化IPP單體以順式構(gòu)型頭尾相接地添加到結(jié)合于起始分子上，形成長短不等的橡膠分子。橡膠鏈延伸過程需要二價金屬陽離子Mg2+或Mn2+參與[8-9]。

由于橡膠粒子與天然橡膠合成緊密聯(lián)系，分離到的橡膠粒子可以產(chǎn)生橡膠，同時破壞橡膠粒子則會破壞橡膠生物合成，因此表明橡膠粒子是橡膠轉(zhuǎn)移酶活性必不可少的組分。橡膠粒子上的蛋白質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量隨不同物種而異。目前較為清楚橡膠樹的橡膠粒子具有數(shù)量較多的蛋白。其中比重最大的是14-ku的橡膠延長因子（rubber elongation factor， REF）和22-ku的橡膠小粒子蛋白（small rubber particle protein， SRPP）[1]。

2 天然橡膠生物合成研究瓶頸

目前巴西橡膠樹研究已取得了長足的進步，但存在較大的瓶頸，限制了對巴西橡膠樹的深入研究。以橡膠樹的橡膠生物合成為例，雖然大體的合成途徑已經(jīng)清楚，前述IPP生物合成的MEP途徑、MVA途徑及后繼的橡膠鏈合成途徑中的重要基因已經(jīng)克隆[10]，但MEP途徑是否參與橡膠合成，IPP合成途徑中的關(guān)鍵酶基因?qū)ο鹉z合成的數(shù)量（橡膠產(chǎn)量）和質(zhì)量（如橡膠鏈的長短）的影響和貢獻并不清楚，對其分子調(diào)控機理也了解不多。對這些方面的任何進展都需要對相關(guān)基因進行克隆和遺傳轉(zhuǎn)化，通過對這些基因的（利用強啟動子）過量表達和（利用反義基因）沉默表達來觀察其對橡膠合成的影響。然而，橡膠樹本身組織培養(yǎng)比較困難，遺傳轉(zhuǎn)化成功率極為有限，此外，即便遺傳轉(zhuǎn)化獲得轉(zhuǎn)基因植株，因為橡膠樹為多年生木本植物，生長周期長，存在幼態(tài)和成熟兩種狀態(tài)，橡膠樹需要在田間生長5～7 a才能割膠，等到能收獲膠乳以確定對性狀的影響也需要在5～7 a之后[11-12]。這些都是目前以巴西橡膠樹為對象的天然橡膠生物合成的研究瓶頸。

3 巴西橡膠樹替代植物研究現(xiàn)狀

已報道有2 500種以上的植物可以產(chǎn)生橡膠，但絕大多數(shù)為熱帶植物。巴西橡膠樹（Hevea brasiliensis Muell. Arg.）是目前商業(yè)化種植面積最大、產(chǎn)量最多的產(chǎn)膠植物，植膠區(qū)主要分布于亞洲、非洲和南美等熱帶及亞熱帶地區(qū)，其中亞洲橡膠產(chǎn)量占全球93%。由于巴西橡膠樹主要產(chǎn)于熱帶地區(qū)，且易受南美葉疫病感染，而絕大多數(shù)發(fā)達國家依賴進口，所以歐盟、美國、澳大利亞等國相繼開展了巴西橡膠樹替代產(chǎn)膠植物研究。目前研究最多的2種替代產(chǎn)膠植物為銀膠菊（英文名：Guayule，拉丁學(xué)名：Parthenium argentatum Gray）和橡膠草（又名俄羅斯蒲公英，英文名：Russian dandelion，拉丁學(xué)名：Taraxacum koksaghyz Rodin）。

國內(nèi)已有作者對橡膠草的研究進展及作為巴西橡膠樹替代作物研發(fā)進行了詳盡的綜述[13-16]，這里主要就橡膠草作為模式生物研究橡膠生物合成意義和可能性進行論述，希望引起國內(nèi)研究者的注意。

4 橡膠草作為模式生物研究橡膠生物合成的可能性

與多年生的木本植物巴西橡膠樹相比，橡膠草有很多優(yōu)勢。首先，它為菊科菊苣族蒲公英屬的多年生草本植物，在溫帶可以如菊苣一樣種植，作為一種一年生植物（從播種到收獲需1年）開發(fā)[11-12]。這樣就可避免經(jīng)歷橡膠樹慢長的幼態(tài)期之后才能對其膠乳產(chǎn)生進行評估。

其次，橡膠草組織培養(yǎng)和遺傳轉(zhuǎn)化都比較容易，獲得的轉(zhuǎn)化苗達到產(chǎn)膠狀態(tài)所需時間短。轉(zhuǎn)基因的橡膠草植株4個月就可以成熟，在移栽到田間的頭兩個月就能產(chǎn)生可檢測數(shù)量的橡膠。而另外一種巴西橡膠樹替代作物銀膠菊雖然也是草本植物，但它需要在田間生長2年才能進行橡膠分析[11-12]。橡膠草遺傳轉(zhuǎn)化的這種便利性非常適合利用過量表達和沉默表達來研究天然橡膠生物合成途徑中關(guān)鍵基因?qū)ο鹉z合成的影響及其調(diào)控機制。

第三，橡膠草核型為2n=2x=16，基因組為1 450 Mb[10]；巴西橡膠樹2n=4x=36，具有雙二倍體特征，其單倍體基因組大小約4×109 bp[17]。橡膠樹產(chǎn)膠部位為樹皮，橡膠草產(chǎn)膠部位為根，兩者都有類似的乳管系統(tǒng)，但橡膠草不能如橡膠一樣切割收獲，必須將根攪碎后進行壓榨或提取橡膠。而銀膠菊則無乳管或相連的乳管網(wǎng)絡(luò)，收獲膠乳需要研磨植物組織以釋放橡膠粒子[11-12]。對橡膠草和巴西橡膠樹進行比較基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)將獲得更多產(chǎn)膠相關(guān)的分子信息。

總之，對橡膠草的研究，不僅是作為替代產(chǎn)膠植物本身，也將為巴西橡膠樹乳管發(fā)育、橡膠粒子形成和橡膠合成研究提供重要的參考信息，因此，就象水稻作為單子葉禾本科類糧食作物的優(yōu)良模式植物一樣，橡膠草也是一種優(yōu)良的產(chǎn)膠模式植物，預(yù)計未來對其研究產(chǎn)出將會有較大增長。

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