CYP450在植物非生物脅迫及解毒代謝中的作用

摘要 CYP450在動植物、真菌和細菌等生物中扮演豐富的功能角色，主要表現(xiàn)為參與各種次生代謝物質(zhì)的合成及環(huán)境中有毒化合物的降解，對生物的生長發(fā)育和環(huán)境適應(yīng)方面具有重要意義。對細胞色素CYP450在植物非生物脅迫及解毒代謝方面的生物學(xué)功能和應(yīng)用進行了簡要綜述，為進一步研究該基因家族及各成員之間的功能提供理論參考。

關(guān)鍵詞 植物CYP450;非生物脅迫;解毒代謝;生物學(xué)功能

中圖分類號 Q945文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）22-0010-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.22.004

Functions of CYP450 in Plant Abiotic Stress and Detoxification Metabolism

JIA Yan-hua （School of Biological Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044）

Abstract CYP450 plays a wide range of function roles in animals，plants，fungi and bacteria，and is mainly involved in the synthesis of various secondary metabolites and degradation of toxic compounds in the environment，which is of great significance for the growth and development of organisms and environmental adaptation.This article briefly reviewed the biological functions and applications of cytochrome CYP450 in plant abiotic stress and detoxification metabolism，and provided theoretical references for the further research on the function of this gene family and its members.

Key words Plant CYP450;Abiotic stress;Detoxification metabolism;Biological function

作者簡介 賈燕華（1994—），女，四川安岳人，碩士研究生，研究方向：植物分子生物學(xué)。

收稿日期 2020-05-09

細胞色素P450（Cytochrome P450，CYP450）是一個成員豐富的超基因家族激酶系統(tǒng)，廣泛存在于各種動植物、真菌及細菌中[1]。CYP450由于其還原態(tài)可與CO相結(jié)合，并在450 nm處有最強吸收光譜而得名[2]。CYP450被譽為“萬能生物催化劑”，一旦被激活，可參與一系列催化反應(yīng)，在信號傳導(dǎo)、生物防御、非生物脅迫以及代謝產(chǎn)物的合成和降解中扮演重要角色。動物中最早發(fā)現(xiàn)的CYP450酶系始于1958年，存在于大鼠的肝微粒體中。而植物中首次發(fā)現(xiàn)的CYP450酶系則始于1969年，存在于農(nóng)作物棉花之中。近年來，研究報道的植物CYP450的數(shù)量呈現(xiàn)暴發(fā)增長趨勢，被功能鑒定的植物CYP450也越來越多[3]。植物CYP450的功能主要體現(xiàn)在2個方面：一方面是參與次生代謝物質(zhì)的合成，包括萜類、黃酮類、生物堿、內(nèi)源激素及信號分子等;另一方面是參與有毒化合物的降解，如除草劑、殺蟲劑、環(huán)境毒素和有機染料等。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，數(shù)以萬計的植物CYP450基因被識別，部分植物的CYP450基因功能也得到了驗證，這就加快了植物CYP450基因的功能研究進展。筆者針對目前CYP450的研究現(xiàn)狀，主要對近年來植物CYP450的分離及其在非生物脅迫及解毒代謝中的功能研究進行簡要綜述。

1 植物CYP450基因的分類

通常情況下，根據(jù)CYP450基因編碼蛋白序列的相似性可對其進行分類，若相似性大于40%則為同一家族;若為40%～55%，則屬于同一家族下的2個亞家族;若大于55%，則屬于同一亞家族;若為等位基因，其相似性應(yīng)不小于97%[4]。1990年，植物中第一個CYP450基因CYP71A1被克隆，這是一個與鱷梨成熟相關(guān)的基因[5]。截至目前，植物中

被公布的CYP450家族已達到127個[6]。根據(jù)系統(tǒng)進化關(guān)系，植物CYP450家族可劃分為11個簇（clans），分別是7個單基因家族簇（CYP51_clan、CYP74_clan、CYP97_clan、CYP710_clan、CYP711_clan、CYP727_clan、CYP746_clan）和4個多基因家族簇（CYP71_clan、CYP72_clan、CYP85_clan、CYP86_clan）[7]。CYP450的家族成員數(shù)量通過祖先基因的重復(fù)不斷擴大，基因重復(fù)后產(chǎn)生的分化也使得各家族成員間的功能變得紛繁復(fù)雜，這對于植物的適應(yīng)性進化具有非常重要的意義。

2 植物CYP450基因的分離

隨著各種植物基因組序列的相繼公布，被分離和鑒定的CYP450也越來越多。近年來，研究人員已從擬南芥、葡萄、木瓜、苔蘚、水稻和三葉楊等植物中鑒定出1 415個CYP450基因[8]。在所有參與植物代謝的酶基因家族中，CYP450是成員數(shù)目最大的一個家族，約占植物總蛋白編碼基因的1%[7]。研究表明，大部分已知CYP450家族的存在比單子葉和雙子葉植物的分化時間還早[9]。根據(jù)http：//drnelson.ut mem.edu/Cytochrome P450.html上更新至2009年8月的CYP450基因數(shù)目來看，植物中被公布的CYP450數(shù)目最多，約占已公布物種CYP450總數(shù)的40%（圖1）。截至目前，NCBI數(shù)據(jù)庫上上傳的CYP450基因數(shù)目正不斷更新（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank/），但其中仍只有少部分被功能鑒定[10]。

3 與植物非生物脅迫有關(guān)的CYP450基因

非生物脅迫（如干旱、鹽堿、寒冷和熱脅迫等）是植物生長過程中不可避免的自然環(huán)境因素。通常情況下，干旱和鹽脅迫是植物最主要的2種非生物脅迫因素，它們嚴重影響植物的生長和發(fā)育[11]。由于環(huán)境條件的不斷惡化和高污染物的使用，植物不得不進化出各種各樣的生存策略來應(yīng)對水分不足和高鹽脅迫等[12]。研究表明，CYP450基因家族在植物應(yīng)對各種非生物脅迫和適應(yīng)各種不利環(huán)境條件中扮演重要的生物學(xué)角色。

目前，大量植物CYP450基因被鑒定。植物CYP450的爆炸性增長也使得其成為植物代謝過程中數(shù)目最大、功能最復(fù)雜的一個激酶家族。多項研究表明，植物CYP450基因家族可通過參與植物內(nèi)源激素的合成和降解，從而調(diào)節(jié)植物的

逆境脅迫響應(yīng)。例如，擬南芥中的CYP94B3和CYP94C1基因分別可以促進 JA-Ile氧化形成12-OH JA-Ile 和12-COOH JA-Ile，使JA-Ile失活，影響茉莉酸代謝途徑，調(diào)節(jié)下游抗逆基因的表達，從而影響植物的逆境脅迫響應(yīng)[13]。Balusamy等[14]將人參中的PgCYP736B基因轉(zhuǎn)移到擬南芥中，通過超表達發(fā)現(xiàn)該基因可以減少過氧化氫（H2O2）的積累，增加類胡蘿卜素的含量，增強脫落酸合成基因的表達，從而增大植物對鹽脅迫的忍耐力。同樣，超表達擬南芥CYP709B3基因后亦可增強植物對鹽脅迫的忍耐力[15]。水稻OsDSS1（CYP96B）基因可微量調(diào)節(jié)赤霉素（GA）與脫落酸（ABA）之間的平衡，從而影響水稻的生長發(fā)育和鹽脅迫響應(yīng)[16]。越來越多的CYP450家族成員（表1）被報道在擬南芥[9，13，15]、水稻[16-17]、豌豆[18]、番茄[19]、棉花[20]、三葉楊[21]、大豆[22]和煙草[23]等植物的非生物脅迫中上調(diào)表達，這些基因?qū)χ参锏目鼓婢稠憫?yīng)具有重要的生物學(xué)意義。因此，對植物CYP450基因的非生物脅迫研究將為人們培育各種抗性新品種打下堅實的理論基礎(chǔ)。

4 與植物解毒代謝有關(guān)的CYP450基因

病害、蟲害和細菌等是植物生長過程中常面臨的自然威脅，同時，除草劑、殺蟲劑及其他化學(xué)污染物的使用又是植物不可逃避的人為毒害。當(dāng)植物受到非生物脅迫和外源有機化合物毒害時，體內(nèi)的CYP450就會被激活，通過一系列催化代謝反應(yīng)，使有毒性的化合物轉(zhuǎn)變成不含毒性的化合物，增強其生存競爭力，從而達到適者生存的目的[24]。Frear等[25]在棉花中發(fā)現(xiàn)能夠代謝滅草?。╩onuron）脫去2個N-甲基并生成尿素的CYP450酶系，直接證明了植物CYP450可參與除草劑代謝并具有解毒功能。目前，越來越多的研究相繼證明CYP450基因家族可參與植物對除草劑的解毒代謝過程，這類基因在植物面臨除草劑的威脅時高量表達，是植物對不同作用機理的除草劑產(chǎn)生抗性的機制之一[26]。隨著研究手段的不斷進步，植物CYP450的解毒代謝功能已成為科研工作者的研究熱點。

植物主要通過代謝、綴合和分離3個過程對除草劑進行降解，而CYP450酶系則在第一個過程中扮演極其重要的角色，通過脫烷基、環(huán)氧化和羥基化等催化作用將除草劑轉(zhuǎn)化為低毒或無毒產(chǎn)物[27]。例如，水稻中CYP450酶系降解芐嘧磺隆（bensulfuron-methyl，BSM），通過O-脫甲基作用產(chǎn)生4-OH BSM[28]。小麥和玉米對苯基脲類除草劑綠麥隆（chlorotoluron）的代謝主要表現(xiàn)為CYP450酶系介導(dǎo)的環(huán)甲基羥基化和N-脫甲基化作用[29-30]。CYP450酶系所介導(dǎo)的除草劑代謝還包括小麥對禾草靈（diclofop）的芳基羥基化[31]，以及玉米對氯磺?。╟hlorsulfuron）和醚苯磺隆（triasulfuron）的芳基羥基化作用等[32]。除此之外，植物CYP450還介導(dǎo)殺蟲劑及其他外源物質(zhì)的代謝。例如，日本看麥娘可以分解用于測定動物CYP450酶活性的7-甲氧基試鹵靈和7-乙氧基香豆素[33]。

隨著研究手段的不斷進步，越來越多的植物CYP450基因被克隆和功能鑒定。例如，1994年P(guān)ierrel等[34]首次從菊芋塊莖中分離得到了具有除草劑抗性的植物CYP450基因CYP73A1，該基因是一個反式肉桂酸4-羥化酶，通過環(huán)甲基羥基化過程，對綠麥隆進行降解。Robineau等[35]將菊芋CYP76B1基因過表達在煙草中能夠分別增強對綠麥隆和利谷隆（linuron）抗性的10和20倍。目前已經(jīng)有多個菊芋CYP450基因（表2）被證實對除草劑綠麥隆有降解作用[34-38]。煙草CYP71A11[39]、CYP81B2[39]和大豆CYP71A10[40]也能代謝脲類除草劑。并且在轉(zhuǎn)基因煙草中，CYP71A10的表達也可增強對除草劑代謝活性，從而提高煙草對亞麻隆和氯甲苯隆的耐受性[40]。水稻中分離的CYP81A6與水稻抗苯達松（bentazone）和磺酰脲類除草劑密切相關(guān)[41-42]。在酵母中表達的小麥CYP71C6v1 基因，不僅表現(xiàn)出了對氯磺?。╟hlorsulfuron）和醚苯磺?。╰riasulfuron）的5-羥基化酶活性，同時也能催化甲磺?。╩etsulfuron-methyl）、芐嘧磺隆（bensulfuron-methyl）和苯磺?。╰ribenuron-methly）代謝[43]。Hfer等[44]研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥的CYP76家族（表2）能夠代謝萜醇類化合物和苯脲類除草劑。Didierjean等[38]通過轉(zhuǎn)基因試驗證實，從菊芋中克隆的CYP76B1 和CYP450 還原酶的融合蛋白對除草劑的代謝活性沒有單獨的CYP76B1高，表明融合蛋白在其高級結(jié)構(gòu)的組裝過程中穩(wěn)定性有所下降，從而導(dǎo)致其功能活性下降。由于人類對除草劑的濫用，自然環(huán)境遭到嚴重的污染，特別是土壤和水污染已成為環(huán)境污染的主要來源。因此，細胞色素CYP450對除草劑的代謝功能被廣泛研究也顯得越來越有價值。近年來，通過基因工程技術(shù)，越來越多植物[45-48]和非植物CYP450家族[49-51]被證實具有除草劑代謝功能?？傊?，細胞色素CYP450是一類與除草劑代謝密切相關(guān)的解毒酶，研究其解毒功能和代謝機制對于開發(fā)新型除草劑和培育抗除草劑的轉(zhuǎn)基因作物具有深遠的意義。

5 展望

目前，隨著高通量測序技術(shù)和生物信息學(xué)的發(fā)展，越來越多的植物CYP450被分離，但這仍是科研領(lǐng)域研究的重點和難點。雖然已成功分離數(shù)以萬計的CYP450，但被功能鑒定的仍是滄海一粟。因此，分離植物CYP450基因是前提，解析CYP450基因的功能才是重點。另外，CYP450基因的表達調(diào)控屬于轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控，受一些生物和非生物因子的調(diào)節(jié)，如光照、水分和組織器官的特異性等因素。因此，植物CYP450基因的表達和調(diào)控機制也是未來研究領(lǐng)域的必走之路。對于植物CYP450基因的研究，無論是從理論上探究植物生理代謝、適應(yīng)性進化以及與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，還是在植物基因工程、生物防治、作物改良及環(huán)境修復(fù)上的應(yīng)用，如培育多抗性作物、構(gòu)建植物雄性不育系、培養(yǎng)能夠降解除草劑及農(nóng)藥殘留的轉(zhuǎn)基因品種和超級微生物等方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

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