植物SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶家族生物學(xué)功能研究進(jìn)展

鄭二松，周潔，徐如夢，鄭超，陳新宇，譚曉菁，楊勇，鮑根良，陳劍平，王栩鳴，嚴(yán)成其

1.浙江師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，浙江省植物有害生物防控重點實驗室省部共建國家重點實驗室培育基地，浙江 杭州 310021；3.寧波市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江 寧波 315040；4.寧波大學(xué)，浙江 寧波 315211

甲基化過程伴隨著植物的整個生命周期，同植物次生代謝密切相關(guān)。模式植物擬南芥和水稻基因組中約有20%的基因與次級代謝物的合成相關(guān)[1-2]，迄今，與次生代謝相關(guān)的基因中只有一小部分在功能上得到驗證，而甲基轉(zhuǎn)移酶類則是這些基因中研究較為充分的一部分。甲基轉(zhuǎn)移酶（methyltransferase，MT）以S-腺苷-蛋氨酸（S-adenosyladenyl-L-methionine，SAM）作為甲基供體，能夠催化多種植物激素和小分子化合物形成相應(yīng)的甲基化產(chǎn)物。大量研究顯示，這些次級代謝物在植物生長發(fā)育、信號傳遞及防御反應(yīng)中都發(fā)揮重要作用。植物SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶主要催化激素和一些小分子的羧基N原子甲基化，得名于該家族中最早被發(fā)現(xiàn)的3個成員水楊酸羧基甲基轉(zhuǎn)移酶（salicylic acid carboxyl methyltransferases，SAMT）、苯甲酸羧基甲基轉(zhuǎn)移酶（benzoic acid carboxyl methyltransferases，BAMT）和可可堿合酶（theobrominesynthase，TCS）[3]。由于 SABATH 甲基轉(zhuǎn)移酶涉及水楊酸、茉莉酸等重要植物激素的代謝，對農(nóng)作物生長、抗逆育種研究、病蟲害控制、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的開發(fā)具有重要的理論指導(dǎo)意義，因此對它們的研究也受到廣泛重視。

1 植物SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶家族的分類

甲基轉(zhuǎn)移酶是上世紀(jì)五六十年代在研究精神疾病時發(fā)現(xiàn)的，自從多巴胺假說發(fā)表，即中樞神經(jīng)系統(tǒng)多巴胺分泌旺盛是引起精神分裂癥的病因之一，兒茶酚-O-甲基轉(zhuǎn)移酶（catechol-O-methlytranse，COMT）能夠催化多巴胺甲基化引起了人們的研究興趣[4]。隨后，甲基轉(zhuǎn)移酶在遺傳物質(zhì)修飾、基因表達(dá)、系統(tǒng)發(fā)育和植物細(xì)胞分化等方面的調(diào)節(jié)功能被逐一發(fā)現(xiàn)[5-6]。

1.1 植物甲基轉(zhuǎn)移酶的分類

植物甲基轉(zhuǎn)移酶通過催化底物甲基化參與植物次級代謝物的合成。以SAM為甲基供體的甲基化是一類常見的甲基化反應(yīng)，是由甲基轉(zhuǎn)移酶催化底物生成S-腺苷同型半胱氨酸（S-adenosyl-L-homocysteine，SAH）和甲基化的底物。根據(jù)作用底物的化學(xué)性質(zhì)不同，可將植物甲基轉(zhuǎn)移酶分為C、N、S和O位甲基轉(zhuǎn)移酶類（OMTs）。例如在向日葵中發(fā)現(xiàn)的淄醇甲基轉(zhuǎn)移酶（sterol methyltransferase，SMT）[7]催化淄醇側(cè)鏈的第 24位 C原子甲基化參與淄醇合成，淄醇與植物的生長發(fā)育有非常重要的關(guān)系；在茶葉中鑒定出咖啡因合酶（caffeine synthase，TCS）[8]，該甲基轉(zhuǎn)移酶催化 7-甲基黃嘌呤的N1和N3甲基化生成咖啡因；在白菜中發(fā)現(xiàn)的硫醇甲基轉(zhuǎn)移酶（thiol methyltransferase，TMT）[9]將植物過多的 HS-甲基化生成甲硫醇揮發(fā)性氣體，參與植物解毒過程。OMTs是植物體內(nèi)種類最多的甲基轉(zhuǎn)移酶類，雖然它們的功能都很相似，但三維結(jié)構(gòu)和催化底物區(qū)別很大，通過研究三維結(jié)構(gòu)，可以把OMTs分為3種類型[10-11]。

Ⅰ型OMTs的相對分子質(zhì)量約40 000，主要催化苯丙酸類化合物羥基上氧原子的甲基化，其已知催化底物包括苯丙烷、類黃酮、異類黃酮、香豆素等。如異黃酮O-甲基轉(zhuǎn)移酶（isoflavone O-methyltransferase，IOMT）催化異黃酮甲基化生成異甘草素，后者是參與豆類植物抗毒素合成必不可少的中間體[12]。目前對Ⅰ型OMTs的晶體結(jié)構(gòu)研究較多，例如紫花苜蓿的查爾酮O-甲基轉(zhuǎn)移酶（chalcone O-methyltransferase，ChOMT）和IOMT的晶體結(jié)構(gòu)都已被解析[13]，有助于進(jìn)一步了解OMTs是如何與底物特異性結(jié)合的。Ⅱ型OMTs參與的甲基化反應(yīng)需要二價陽離子的存在。Ⅱ型OMTs的相對分子質(zhì)量為23 000～28 000，這類OMTs均以羥化肉桂酸的輔酶A酯為催化底物，主要與木質(zhì)素合成有關(guān)[14]。典型的Ⅱ型OMTs如咖啡酰輔酶A 3-氧位甲基轉(zhuǎn)移酶（caffeoyl coenzyme A 3-O-methyltransferase，CCoAOMT）[15]可催化木質(zhì)素生物合成過程中的5-羥基阿魏酰輔酶A轉(zhuǎn)化為芥子酰輔酶A。CCoAOMT的晶體結(jié)構(gòu)已被解析[15]，其序列與動物的鄰苯二酚O-甲基轉(zhuǎn)移酶高度同源。Ⅲ型OMTs的相對分子質(zhì)量約為40 000，主要催化小分子化合物的羧基以及N原子的甲基化，在植物生長發(fā)育、揮發(fā)性化合物合成、防御反應(yīng)等方面發(fā)揮重要作用[16]。

1.2 植物SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶家族

植物SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶是目前研究最多的Ⅲ型OMTs，是一類以SAM為甲基供體，催化激素和小分子化合物的羧基和N原子甲基化的酶。仙女扇（Clarkia breweri）中的SAMT[3]是SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶家族被發(fā)現(xiàn)的第一個成員[17]，隨后又在金魚草（Antirrhinum majus）中發(fā)現(xiàn)了 BAMT[18]，在茶葉（Camellia sinensis）中發(fā)現(xiàn)了TCS[8]。

更多的SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶家族成員被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。在擬南芥（Arabidopsis thaliana）中發(fā)現(xiàn)了茉莉酸羧基甲基轉(zhuǎn)移酶（jasmonic acid carboxyl methyltransferase，JMT）[19]、法尼酸羧基甲基轉(zhuǎn)移酶（farnesoic acid carboxyl methyltransferase，F(xiàn)AMT）[20]、吲哚乙酸羧基甲基轉(zhuǎn)移酶（indole-acetic acid carboxyl methyltransferase，IAMT）[21]、赤霉酸羧基甲基轉(zhuǎn)移酶（gibberellic acid carboxy methyltransferase，GAMT）[22]、苯甲酸/水楊酸羧基甲基轉(zhuǎn)移酶（benzoic/salicylic acid carboxyl methyltransferases，BSMT）[23]，不僅參與植物揮發(fā)性化合物合成，過表達(dá)JMT的擬南芥能夠增強(qiáng)其對葡萄孢菌（Botrytis cinerea）的抗性；FAMT參與保幼激素（juvenile hormone，JH）的合成，影響害蟲的生長發(fā)育，減少害蟲對植物的危害；IAMT能夠調(diào)控擬南芥下胚軸的發(fā)育；GAMT能夠調(diào)控擬南芥種子萌發(fā)；BSTMT具有催化苯甲酸和水楊酸甲基化的功能。在羅勒（Ocimum basilicum）中發(fā)現(xiàn)了肉桂酸羧基甲基轉(zhuǎn)移酶（cinnamate/p-coumarate carboxylmethyltransferases，CCMT）[24]，CCMT 在植物抗蟲害過程中發(fā)揮重要作用。在煙草（Nicotiana suaveolens）中發(fā)現(xiàn)了煙堿羧基甲基轉(zhuǎn)移酶（nicotinicacidcarboxyl methyltransferase，NAMT）[23]，能 夠 抑 制 害 蟲 的 發(fā)育，減少害蟲對植物的危害。在咖啡（Coffea canephora）中發(fā)現(xiàn)了7-甲基黃嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶（methylxanthine methyltransferases，XMT）和 3，7-二甲基黃嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶（dimethylxanthine methyltransferases，DXMT）[25]，二者是可可堿合成過程中所必需的甲基轉(zhuǎn)移酶。在玉米（Zea mays）中發(fā)現(xiàn)了鄰氨基苯甲酸羧基甲基轉(zhuǎn)移酶（anthranilic acid methyltransferase1，AAMT）[26]，外 源 表 達(dá)AAMT蛋白驗證了其甲基化的生化特性。這些SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶能夠催化不同底物的甲基化，同時也具有相似的生化特征。

2 植物SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶的生物學(xué)功能

植物SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶參與多種次級代謝物的合成，其生物學(xué)功能主要分為2種類型。一類是在花器官中參與揮發(fā)性物質(zhì)的合成[28]，并有研究表明這類揮發(fā)性物質(zhì)與植物授粉有關(guān)[29-30]，同時還能吸引昆蟲天敵[24]。另一類則是通過催化植物激素甲基化參與植物防御反應(yīng)[31-32]，其中水楊酸甲酯（methyl salicylate，MeSA）和茉莉酸甲酯（methyl jasmonate，MeJA）等揮發(fā)性甲酯類化合物分別是由SAMT和JMT催化水楊酸（salicylate，SA）和茉莉酸（jasmonate，JA）甲基化生成的產(chǎn)物。SA、JA以及甲基化產(chǎn)物MeSA、MeJA不僅是植物體內(nèi)重要的防御信號分子[33]，同時還影響植物的生長發(fā)育，以及昆蟲取食行為。植物SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶是植物次級代謝物合成、信息交流和防御反應(yīng)的重要組成部分，是植物完成生命周期的一環(huán)。通過研究SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶調(diào)控MeSA和MeJA等甲酯類化合物的合成，能夠進(jìn)一步了解植物防御反應(yīng)機(jī)制。

2.1 SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶參與植物防御信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

SA和JA一直是植物病蟲害防御反應(yīng)的重點研究對象，SAMT和JMT分別催化SA和JA甲基化，通過改變植物體內(nèi)的SA和JA含量，間接參與植物防御反應(yīng)。相關(guān)研究已經(jīng)有了很大進(jìn)展。

2.1.1 SAMT參與植物防御反應(yīng) 研究表明MeSA是系統(tǒng)獲得性抗性（systemic acquired resistance，SAR）的關(guān)鍵移動信號分子[34-35]，Park等[35]在煙草嫁接研究中，發(fā)現(xiàn)水楊酸結(jié)合蛋白2（salicylic acid binding protein 2，SABP2）沉默株系嫁接到野生型煙草中后，在SABP2沉默株系葉片接種煙草花葉病毒（Tobacco mosaic virus，TMV）不能將防御信號傳到野生型煙草中，證明MeSA是誘導(dǎo)SAR的內(nèi)源性物質(zhì)。野生型煙草接種TMV時，煙草葉片中的MeSA含量顯著上升，受感染和臨近感染部位的煙草葉片對TMV都表現(xiàn)出一定的抗性，表明MeSA可能是一種空氣傳播信號，從而在健康煙草葉片中誘導(dǎo)抵御病原體入侵的SAR反應(yīng)[36]。

MeSA在植物蟲害防御反應(yīng)過程中同樣發(fā)揮重要作用，當(dāng)植物健康組織遭受病蟲侵襲時，植物體內(nèi)會積累并釋放大量MeSA來激活植物防御基因的表達(dá)，合成植物毒素和蛋白抑制劑等減少害蟲取食[37]；不僅如此，昆蟲取食植物時釋放的揮發(fā)性化合物中含有大量MeSA，這類甲酯類揮發(fā)性物質(zhì)能夠影響害蟲的取食行為，例如蚜蟲（Rhopalosiphum padiL.）冬季常寄生在稠李（Prunus padusL.）上，稠李會釋放揮發(fā)性氣體從而導(dǎo)致蚜蟲在春季遷徙，在釋放的揮發(fā)物中檢測到大量MeSA。用MeSA處理蚜蟲的夏寄主燕麥后，蚜蟲不會選擇該燕麥作為寄主，從而保護(hù)燕麥免受蚜蟲的攻擊[38]。MeSA利用其揮發(fā)性能夠吸引害蟲天敵，例如擬南芥遭受菜青蟲（Pieris rapae）取食后，擬南芥釋放的揮發(fā)性化合物能夠吸引菜青蟲的天敵絨繭蜂（Cotesia rubecula）來控制青蟲的數(shù)量，從而保護(hù)擬南芥的正常生長發(fā)育，檢測揮發(fā)性物質(zhì)時發(fā)現(xiàn)其含有大量的MeSA[39]。這些研究都表明SAMT通過調(diào)控植物體內(nèi)的MeSA含量，間接參與植物防御反應(yīng)。

2.1.2 JMT參與植物防御反應(yīng) MeJA具有揮發(fā)性、不易被離子化等特性，能夠透過細(xì)胞膜，不僅可以在細(xì)胞內(nèi)傳遞信號，還能在植株間傳遞信號。Seo等[19]在擬南芥中過表達(dá)AtJMT，發(fā)現(xiàn)過表達(dá)AtJMT的擬南芥體內(nèi)MeJA的含量是野生型擬南芥的3倍，響應(yīng)JA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的營養(yǎng)儲存蛋白（vegetative storage protein，VSP）和植物防御素（plant defensin 1.2，PDF1.2）表達(dá)量上升，增強(qiáng)了擬南芥對葡萄孢菌的抗性。

已有研究表明，植物遭受蟲害時，體內(nèi)MeJA含量顯著升高，將“蟲害信息”傳遞給未受傷部位和鄰近植物使其進(jìn)入警戒狀態(tài)，同時MeJA誘導(dǎo)植物體內(nèi)防御基因的表達(dá)，從而激活植物體內(nèi)一系列連鎖防御反應(yīng)[40]。Stitz等[41]在擬南芥中沉默AtJMT基因，發(fā)現(xiàn)在擬南芥的總JA含量不變的情況下，2種受JA誘導(dǎo)表達(dá)的蘇氨酸脫氨酶和胰蛋白酶抑制劑的表達(dá)水平顯著降低，對害蟲的抗性明顯減弱。對擬南芥葉片進(jìn)行損傷處理或MeJA處理后，健康葉片中JMT基因的表達(dá)水平是上調(diào)的，說明該基因是系統(tǒng)性誘導(dǎo)的[42]。Song等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在植物損傷的早期，JMT基因的表達(dá)水平顯著提高[43-44]，說明JMT基因作為茉莉酸信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑下游的基因，能夠快速響應(yīng)外界生物或非生物脅迫而引起的局部或系統(tǒng)性的信號，可能與刺吸式昆蟲的防御反應(yīng)有關(guān)。Martin等[45]外源使用MeJA處理花菱草的懸浮細(xì)胞時，發(fā)現(xiàn)MeJA能夠誘導(dǎo)JMT表達(dá)，說明茉莉酸的甲基化以及MeJA的去甲基化參與植物的防御系統(tǒng)。Wu等[46]研究發(fā)現(xiàn)MeJA處理所引起的植物抗性增強(qiáng)并不是由MeJA直接引起的，而是MeJA去甲基化的產(chǎn)物JA所致。以上說明JMT不僅參與植物生長發(fā)育，同時能夠響應(yīng)損傷，防御信號反應(yīng)以及激活相關(guān)防御基因的表達(dá)，增強(qiáng)植物的抗逆性。

2.1.3 FAMT和AAMT參與的植物防御反應(yīng) FAMT催化FA（farnesoic acid）甲基化生成MeFA，由環(huán)氧化酶將MeFA轉(zhuǎn)化為保幼激素JHⅢ，Yang等[47]認(rèn)為MeFA通過轉(zhuǎn)化為JHⅢ影響害蟲發(fā)育，從而保護(hù)植物免受蟲害。玉米被斜紋夜蛾危害時釋放的揮發(fā)性化合物能夠吸引寄生蜂在斜紋夜蛾身上產(chǎn)卵[4]，寄生蜂卵吸收斜紋夜蛾營養(yǎng)物質(zhì)直至斜條紋蛾死亡，Koller等[26]在該揮發(fā)物中檢測發(fā)現(xiàn)含有鄰氨基苯甲酸甲酯，并在斜紋夜蛾幼蟲取食后的玉米葉片中鑒定了AAMT的存在。

2.2 SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶參與植物揮發(fā)性物質(zhì)的合成及對昆蟲行為的影響

植物主要在葉表面和花器官釋放揮發(fā)性物質(zhì)，由于這些次級代謝物的合成很消耗植物能量，因此花香化合物一般在特定組織（花瓣、柱頭、萼片）中合成。在仙女扇[29]、茉莉球蘭（Stephanotis floribunda）[48]、煙草[43]等植物的花器官中鑒定出了SAMT和BAMT。

植物利用花器官散發(fā)香氣吸引傳粉媒介，借此來提高果實和種子產(chǎn)量以及影響昆蟲的產(chǎn)卵和取食行為。有研究表明，通過外源施加MeSA可以吸引昆蟲覓食，幫助植物完成授粉[49]，說明花香可作為昆蟲授粉媒介和種子分散的引誘劑。蛾（Hyles lineata）參與很多植物的授粉過程，芳香酯類揮發(fā)性化合物在授粉過程中起“向?qū)А弊饔?，蛾通過植物釋放的芳香酯類揮發(fā)物快速定位啤酒花（Clarkia breweri）的位置完成覓食和授粉，Robert等[50]在這類揮發(fā)物中發(fā)現(xiàn)MeSA對蛾的吸引力較強(qiáng)。此外，Plepys等[51]利用Y型嗅覺儀證明MeSA、苯甲酸甲酯（methyl benzoic acid，MeBA）均能吸引昆蟲紋夜蛾（Autographa gammaL.）。

2.3 SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶影響植物生長發(fā)育

茉莉酸及其衍生物是擬南芥和番茄的花發(fā)育最后階段所必需的，Stitz等[46,52]發(fā)現(xiàn)茉莉酸及其衍生物可以調(diào)控?zé)煵蓍_花，可能是JMT通過調(diào)節(jié)茉莉酸相關(guān)代謝物在煙草內(nèi)含量來調(diào)控其開花過程，說明JMT與擬南芥的花穗發(fā)育密切相關(guān)。不僅如此，MeJA作為植物內(nèi)源信號分子，其獨特的生化性質(zhì)能夠快速將“信號”傳遞到各個組織，植物則利用酶催化JA的甲基化及去甲基化改變植物體內(nèi)MeJA含量，調(diào)控種子萌發(fā)、花和果實發(fā)育、葉片的衰老和脫落等[53]。與SAMT和JMT不同，AtGAMT在擬南芥中通過將赤霉素（gibberellin，GA）甲基化生成無活性的赤霉素甲酯（methyl gibberellin，MeGA），且擬南芥中MeGA不能去甲基化生成GA。因此，AtGAMT是通過改變擬南芥中GA含量影響其生長發(fā)育[22]，如種子萌發(fā)、葉片舒展、莖伸長及果實發(fā)育等。與野生型擬南芥相比，過表達(dá)AtGAMT的擬南芥植株變得矮小，開花延遲且成簇狀開花。生長素在植物生長發(fā)育過程中極為重要，IAMT通過催化吲哚乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）甲基化生成吲哚乙酸甲酯（methyl indole-3-acetic，MeIAA）影響植物體內(nèi)生長素平衡、極性運(yùn)輸?shù)取Ｏ嚓P(guān)研究還發(fā)現(xiàn)過表達(dá)IAMT會導(dǎo)致擬南芥葉片向內(nèi)卷起呈圓柱狀[54]。

2.4 SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶其他生物學(xué)功能探索

植物中存在大量的SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶基因，大多數(shù)這些基因的生化特性還有待驗證。目前，在模式生物擬南芥中共發(fā)現(xiàn)24個SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶基因[3,22]，其中 AtSAMT、AtJMT、AtBSMT、AtIAMT、AtFAMT、AtGAMT等6個完成了生化鑒定，剩余18個的功能還不明確。根據(jù)表達(dá)特性分析，大多數(shù)擬南芥SABTH甲基轉(zhuǎn)移酶具有特定的表達(dá)模式，這可能有助于我們預(yù)測和鑒定它們的生物學(xué)功能[55]?？傊?，目前對SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶家族的了解還處于非常初步的階段，仍有許多問題有待解決。首先，SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶的起源是哪里，是否還存在未被發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特征？其次，SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶催化的反應(yīng)在不同植物中是否有所不同？再次，SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶催化底物的決定因素是什么?最后，SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶的多樣性是如何進(jìn)化而來的?相信這些問題將是未來研究的重點，也是回答植物SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶基因生物學(xué)功能的關(guān)鍵。

3 結(jié)語

隨著相關(guān)生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶被鑒定出來，但對其功能研究還在起步階段，表達(dá)模式研究也還很少。相信隨著轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究的不斷深入，這方面的數(shù)據(jù)會越來越翔實。最近幾年，大規(guī)模基因組測序項目的興起以及測序技術(shù)的不斷改進(jìn)，公共數(shù)據(jù)庫中充斥了大量基因序列，相信這些數(shù)據(jù)能夠幫助我們更好地發(fā)現(xiàn)未知的SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶基因，并為SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶催化底物多樣化研究打下基礎(chǔ)。蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)的發(fā)展，也將為我們呈現(xiàn)更多關(guān)于植物SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶生物學(xué)功能的直接信息。SABATH甲基轉(zhuǎn)移酶參與的植物次級代謝、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和防御反應(yīng)等生物學(xué)過程和植物的抗性形成密切相關(guān)，對這些方面的研究不僅能夠幫助我們了解植物的抗病過程，挖掘更多的抗病基因，還有助于改善農(nóng)作物對病蟲害的抗性，最終提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。