十字花科植物次生代謝物硫代葡萄糖苷生物合成運(yùn)輸分解的研究進(jìn)展

王偉杰， 禹艷坤， 譚小力

(江蘇大學(xué)生命科學(xué)研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

植物在與食草動(dòng)物和微生物的長(zhǎng)期斗爭(zhēng)中，進(jìn)化出了各類防御系統(tǒng)，例如快速反應(yīng)的氧爆發(fā)、細(xì)胞壁蛋白富集的交聯(lián)反應(yīng)、胼胝質(zhì)沉淀等[1-2]。有些反應(yīng)發(fā)生得較慢，如產(chǎn)生次生代謝產(chǎn)物來(lái)抵御外界威脅[3]。在十字花科植物中，次生代謝產(chǎn)物硫代葡萄糖苷(glucosinolate，GLS，硫苷)是主要的防御物質(zhì)之一[4]。其化學(xué)結(jié)構(gòu)主要包括3部分：β-D-硫苷葡糖基、醛肟酸、不同的R基。R基的前體是氨基酸，不同的氨基酸可以衍生出不同的R基，進(jìn)而合成不同種類的硫苷[5]。根據(jù)不同的氨基酸前體，可將硫苷分為3類：脂肪族硫苷、吲哚族硫苷、芳香族硫苷[6-7]。脂肪族硫苷R基前體包括亮氨酸、異亮氨酸、丙氨酸、纈氨酸、甲硫氨酸；吲哚族硫苷的R基前體則是色氨酸等；芳香族硫苷R基前體是酪氨酸、苯丙氨酸。常見(jiàn)的硫苷類型如表1所示。

表1 常見(jiàn)硫苷的種類

硫苷的含量在植物不同的組織和生長(zhǎng)階段是動(dòng)態(tài)變化的，成熟種子中的硫苷含量通常高于葉片中的，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期葉片中的硫苷含量通常高于生殖生長(zhǎng)期的。硫苷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(glucosinolate transporter，GTR)參與了這一調(diào)節(jié)過(guò)程[8-9]。

參與硫苷水解的黑芥子酶位于質(zhì)外體，合成的硫苷會(huì)儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)，避免被黑芥子酶水解。當(dāng)植物受到損傷或攻擊時(shí)，細(xì)胞破裂，硫苷與黑芥子酶反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生不同的水解產(chǎn)物來(lái)抵抗微生物和食草昆蟲(chóng)。硫苷除了防御作用，在風(fēng)味調(diào)節(jié)以及抗癌、生物熏蒸等方面都有較大的貢獻(xiàn)[10-11]。

本文將對(duì)硫苷的合成、運(yùn)輸、分解以及硫苷的應(yīng)用進(jìn)行討論。

1 硫苷的合成

硫苷的合成分為3個(gè)步驟：主鏈的延長(zhǎng)、核心結(jié)構(gòu)的生成、側(cè)鏈的修飾。根據(jù)不同的R鏈可分為3種硫苷：脂肪族硫苷、吲哚族硫苷、芳香族硫苷[5，14]。硫苷在淀粉鞘和薄壁細(xì)胞中合成，儲(chǔ)存在硫細(xì)胞中或者由韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)到不同部位[12]。硫苷主要在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期的葉片和莖、生殖生長(zhǎng)期的幼嫩角果皮中合成，成熟的種子中檢測(cè)不到硫苷合成必需基因的表達(dá)，因此一般認(rèn)為種子中的硫苷累積主要來(lái)源于營(yíng)養(yǎng)體，如葉片和角果[12-13]。

1.1 主鏈的延長(zhǎng)

氨基酸首先在甲硫氨酸轉(zhuǎn)氨酶(branched-chain amino transferase4，BCAT4)的作用下脫氨基，生成對(duì)應(yīng)的含氧酸，再經(jīng)歷乙酰輔酶A縮合、異構(gòu)化、氧化羧合循環(huán)進(jìn)行主鏈延長(zhǎng)(圖1-a)，主鏈的延長(zhǎng)循環(huán)最多9次。硫苷的合成涉及到大量基因，包括上述的甲硫氨酸轉(zhuǎn)氨酶和甲硫烷基蘋果酸鹽合成酶基因MAMs(methylthioalkymalate synthase)[15]。MAM基因在主鏈延長(zhǎng)步驟中起重要作用[17]，MAM1主要作用于前2個(gè)循環(huán)，MAM2僅催化循環(huán)的第1輪反應(yīng)，MAM3主要作用于第6次延長(zhǎng)反應(yīng)，其余反應(yīng)由MAM-L(methylthioalkymalate synthase-like，MAM-LIKE)基因完成[18]。

1.2 核心結(jié)構(gòu)的合成

主鏈延長(zhǎng)結(jié)束后，開(kāi)始核心結(jié)構(gòu)的合成，主鏈延長(zhǎng)后的產(chǎn)物在細(xì)胞色素P450家族CYP79作用下生成醛肟[16]。CYP79在此步驟中主要負(fù)責(zé)N-羥基化反應(yīng)，可以催化二高甲硫氨酸生成5-甲硫基戊醛肟，其中，脂肪族硫苷合成中此步驟主要由CYP79F1/F2負(fù)責(zé)(圖1-b)；吲哚族硫苷合成中的此步驟則主要由CYP79B2/B3負(fù)責(zé)[19-22]；芳香族硫苷研究較少，目前尚未明確在此步驟中起作用的關(guān)鍵基因。5-甲硫基戊醛肟在CYP83的作用下形成異硝基化合物，然后在谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(glutathione transferase，GST)和C-S裂解酶的作用下形成硫基吲哚羥肟酸，最后在硫-葡糖轉(zhuǎn)移酶(sulfur glucotransferase，S-GT)和磺基轉(zhuǎn)移酶(sulfotransferase，ST)的作用下形成脫硫硫苷和硫苷。UGT74家族也作用于此步驟，主要參與的基因是UGT74B1/C1，分別參與吲哚族和脂肪族硫苷的合成。

1.3 側(cè)鏈修飾

側(cè)鏈修飾包括羥基化、氧-甲基化、糖基化以及?；饔玫龋摬襟E中起主要作用的是氧化戊二酸依賴的雙加氧酶AOP2(alkenyl hydroxalkyl producing 2)和AOP3以及FMOGS-OX1(FLAVIN-MONOOXYGENASE GLUCOSINOLATE S-OXYGENASE 1)(圖1-c)。AOP2的作用是將側(cè)鏈修飾為羥基，而AOP3的作用則是將側(cè)鏈修飾為苯甲酸基[23-24]。二者的主要區(qū)別是啟動(dòng)子區(qū)域的差異以及AOP2開(kāi)放閱讀框的部分缺失，導(dǎo)致AOP2是一個(gè)高度截短的蛋白[25]，F(xiàn)MOGS-OX1的作用是催化甲基硫代烷基轉(zhuǎn)化為甲基亞磺?；?/p>

研究發(fā)現(xiàn)，與野生型相比，AOP2過(guò)表達(dá)的擬南芥植株中MYB28/29的表達(dá)量顯著上調(diào)，且硫苷的含量上升了近2倍，其作用機(jī)制是AOP2控制MYB28/29的表達(dá)量來(lái)調(diào)節(jié)短鏈硫苷的合成。另外，AOP2不僅可以調(diào)控MYB轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄，還可以不經(jīng)過(guò)MYB轉(zhuǎn)錄因子，對(duì)5個(gè)硫苷合成相關(guān)基因(GGP1、CYP83B1、SOT16、CYP81F4、GS-OX2)進(jìn)行直接調(diào)控[26]。

R2R3MYB轉(zhuǎn)錄因子與植物代謝密切相關(guān)[28]，參與例如花青素、植保素等次生代謝產(chǎn)物的調(diào)控[29-30]。MYB28、MYB29在脂肪族硫苷的合成途徑中會(huì)與很多基因互作影響硫苷的合成，例如BCAT4、MAM、CYP79；這2個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子與MAM基因結(jié)合共同調(diào)控短鏈脂肪族硫苷核心結(jié)構(gòu)的生成[31]。脂肪族硫苷4-甲基硫代丁基硫苷(4-MTO)是典型的短鏈脂肪族硫苷，在myb28突變體中，其含量顯著下降，證明MYB28對(duì)短鏈脂肪族硫苷的合成十分重要[32]。另一個(gè)MYB28對(duì)短鏈脂肪族硫苷核心結(jié)構(gòu)生成十分重要的證據(jù)是，使用外源葡萄糖誘導(dǎo)擬南芥后，發(fā)現(xiàn)MYB28的表達(dá)量和硫苷的含量顯著升高，并且上升趨勢(shì)與時(shí)間呈正相關(guān)線性關(guān)系[33]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，葡萄糖分子被己糖激酶(hfexokinase，HXK)識(shí)別并被RGS1(regulator of G-protein signaling 1)調(diào)節(jié)，RGS1會(huì)持續(xù)地影響MYB28、MYB29、CYP79F1/F2的表達(dá)，但是葡萄糖調(diào)節(jié)硫苷合成相關(guān)基因的具體機(jī)制尚未清晰。在hkx突變體中，使用外源葡萄糖誘導(dǎo)，不能引起硫苷合成相關(guān)基因的表達(dá)量和硫苷含量的改變。另外，在myb29突變體中，經(jīng)外源葡萄糖誘導(dǎo)，硫苷含量有所增加，在myb28中則沒(méi)有類似現(xiàn)象，說(shuō)明MYB28在脂肪族硫苷合成中的作用要大于MYB29[34]。不僅外源葡萄糖可以影響硫苷合成，有研究表明外源硒誘導(dǎo)后，脂肪族硫苷合成相關(guān)基因的表達(dá)量下調(diào)，而吲哚族硫苷合成的相關(guān)基因表達(dá)量上調(diào)[35]。

主要涉及到吲哚族硫苷合成的基因是MYB家族的MYB34、MYB51、MYB122以及MYC家族的MYC2、MYC3[36-37]。在不同部位和激素刺激下，MYB基因的功能不同。例如，MYB34主要在根中起作用，當(dāng)受到脫落酸(abscisic acid，ABA)刺激后，會(huì)產(chǎn)生大量的吲哚-3-亞甲基硫苷(indole-3-methylene，I3M)和1-甲氧基-吲哚-3-亞甲基硫苷(1-methoxy-indole-3-methylene，1-MO-I3M)。MYB51主要在側(cè)枝中起作用，在茉莉酸(jasmonic acid，JA)和乙烯(ethylene，ET)的刺激下，會(huì)提高I3M和4-MO-I3M含量。MYB122調(diào)節(jié)硫苷合成能力較弱，只有在JA的刺激下起作用[38]。MYC家族主要涉及植物激素的合成，在吲哚族硫苷的合成過(guò)程中，MYC家族與MYB家族的成員結(jié)合后，共同調(diào)控硫苷的合成[39]，例如MYC2需要和MYB51結(jié)合，調(diào)節(jié)硫苷的合成。另外，種子萌發(fā)以及受到病原微生物侵害時(shí)，吲哚族硫苷的含量會(huì)發(fā)生明顯變化，感知非病原微生物存在時(shí)，吲哚族硫苷含量變化相對(duì)較小。因此，吲哚族硫苷的含量變化或許可以開(kāi)發(fā)為一項(xiàng)識(shí)別病原微生物的指標(biāo)[40]。

硫苷合成涉及的基因不是簡(jiǎn)單的基因加和效應(yīng)，而是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。不同的轉(zhuǎn)錄因子作用于不同的基因，并且每個(gè)轉(zhuǎn)錄因子在基因網(wǎng)絡(luò)中作用不同。例如，MYB28對(duì)短鏈脂肪族硫苷的合成具有重要作用，但是在復(fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于不同種類的硫苷，MYB29的作用有時(shí)會(huì)大于MYB28。并且，同樣的基因在不同的環(huán)境和組織中會(huì)產(chǎn)生不同的效應(yīng)。在不同酶的作用下或在不同組織中，原本起協(xié)同作用的轉(zhuǎn)錄因子可能會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檗卓棺饔肹41]。對(duì)于MYB34來(lái)說(shuō)，在與MYB51協(xié)同作用的同時(shí)與MYB122是拮抗作用，因此3個(gè)轉(zhuǎn)錄因子能夠精準(zhǔn)地調(diào)控吲哚族硫苷的含量[42-43]。

環(huán)境條件也會(huì)對(duì)硫苷含量造成影響，如濕度、溫度等。當(dāng)溫度較高時(shí)，吲哚族硫苷的含量會(huì)受到較大影響，而脂肪族硫苷則受影響較小[86]。光強(qiáng)可以影響CYP83B1的表達(dá)量從而改變吲哚族硫苷和IAA的含量[16]。

2 硫苷的轉(zhuǎn)運(yùn)

硫苷主要在營(yíng)養(yǎng)器官中合成，然后通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸至生殖器官[12]，不同時(shí)期和不同部位的硫苷含量也會(huì)隨著基因表達(dá)量的不同而改變[44]。例如，當(dāng)葉片衰老以及種子萌發(fā)時(shí)，硫苷含量會(huì)下降[45]。研究硫苷運(yùn)輸最直接的方法是利用放射性元素標(biāo)記來(lái)指示硫苷的運(yùn)輸路徑，可以觀測(cè)到硫苷從合成部位(如葉片)被運(yùn)輸至其他部位(如種子)。此外，由于擬南芥不表達(dá)CYP79A1基因，將白菜型油菜的CYP79A1基因?qū)霐M南芥，可以通過(guò)該基因參與合成的硫苷來(lái)研究運(yùn)輸[46-47]。另外，在韌皮部運(yùn)輸?shù)氖峭暾牧蜍眨皇敲摿蛄蜍誟48-50]。

種子中沒(méi)有檢測(cè)到硫苷合成基因MYB28/29、MAMs的表達(dá)，說(shuō)明在種子中幾乎沒(méi)有硫苷合成的主鏈延伸和核心結(jié)構(gòu)生成這2個(gè)步驟，所以種子中的硫苷主要源于其他器官[13]。在低硫苷油菜早期的角果壁中，硫苷含量大約為30 μmol/g，種子成熟后角果壁中硫苷含量降至1 μmol/g，這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明硫苷可能從角果壁轉(zhuǎn)運(yùn)至種子中[4]。在過(guò)表達(dá)MYB28基因的植株中，其葉片硫苷的含量相比于野生型高了近3倍，而在種子中僅有微量的上升，這說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)體中的硫苷并不會(huì)完全轉(zhuǎn)運(yùn)到種子中，或者種子中的硫苷含量有一定的上限[51]。

GTR轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是一個(gè)H+/硫苷共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，屬于硝酸鹽和肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白NPF(NRT1-PTR)家族，并且該蛋白的運(yùn)輸效率不受底物側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的影響[9]。從進(jìn)化的角度來(lái)看，NPF轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可能是生氰糖苷的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)化而來(lái)，并且進(jìn)化時(shí)間要早于硫苷合成途徑[52-53]。異源表達(dá)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在非洲爪蛙卵母細(xì)胞中表達(dá)GTR后，細(xì)胞可以轉(zhuǎn)運(yùn)4-甲基硫代丁基硫苷(4-MTB)和3-丙烯基(3-BUT)2種硫苷[54]。

GTR蛋白家族成員GTR1(NPF2.10)、GTR2(NPF2.11)、GTR3(NPF2.9)負(fù)責(zé)硫苷運(yùn)輸[9]。GTR轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要在根部和莖表達(dá)，亞細(xì)胞定位試驗(yàn)顯示GTR蛋白定位在質(zhì)膜上，GTR1一般富集在葉片葉肉細(xì)胞的周圍，主要在韌皮部周圍的細(xì)胞中運(yùn)輸硫苷。GTR2一般富集在脈管系統(tǒng)、韌皮部和質(zhì)外體運(yùn)輸硫苷[54]。GTR3主要富集在根器官韌皮部的伴隨細(xì)胞質(zhì)膜上，其作用可能是將吲哚硫苷轉(zhuǎn)運(yùn)到儲(chǔ)存細(xì)胞，從而保證根中硫苷含量[55]。GTR3轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)吲哚族硫苷具有極高的偏好性，其轉(zhuǎn)運(yùn)吲哚族硫苷的能力幾乎是轉(zhuǎn)運(yùn)脂肪族硫苷的10倍。

gtr2突變體的種子由于轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的部分缺失，影響硫苷從營(yíng)養(yǎng)器官運(yùn)輸?shù)椒N子，從而引起硫苷在營(yíng)養(yǎng)器官中的累積，種子中硫苷含量顯著下降。在gtr1、gtr2雙突變體種子中幾乎檢測(cè)不到硫苷的含量[13]。另外，與脂肪族硫苷大量滯留在營(yíng)養(yǎng)器官中不同，色氨酸衍生的硫苷即吲哚族硫苷，雖然在種子中的含量明顯下降，但是在營(yíng)養(yǎng)器官中卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)累積，這說(shuō)明吲哚族硫苷可能存在其他轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制[56]。

NPF(nitrate transporter)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族不僅涉及到硫苷的轉(zhuǎn)運(yùn)，并且與植物激素的運(yùn)輸也有關(guān)系，例如生長(zhǎng)素、赤霉素、脫落酸[57]。在gtr1中，與野生型相比，不僅種子中硫苷的含量下降，植株表型也發(fā)生了變化，花絲延長(zhǎng)能力和花粉開(kāi)裂能力都下降，且角果也變得干癟，經(jīng)赤霉素誘導(dǎo)可恢復(fù)部分表型。其原因是GTR1轉(zhuǎn)運(yùn)硫苷的同時(shí)，也可以轉(zhuǎn)運(yùn)具有生物活性的赤霉素(gibberellin，GA)和茉莉酸衍生物(JA-Ile)，由于GTR1在花器官中的表達(dá)部位主要是花絲基部、維管束、花藥，影響花絲部位GA從維管束到細(xì)胞的運(yùn)輸，導(dǎo)致gtr1突變體花藥表層的厚度變薄，并減少了開(kāi)裂所需的機(jī)械力。使用外源GA處理花苞后，角果變得飽滿，生殖能力恢復(fù)，但角果中的種子卻不能完全發(fā)育，可能是因?yàn)镚A只能補(bǔ)償JA的部分作用。但是，當(dāng)硫苷和GA等植物激素同時(shí)存在時(shí)，GTR1仍具有對(duì)硫苷的偏好性，會(huì)優(yōu)先轉(zhuǎn)運(yùn)硫苷[54]。

硫苷在細(xì)胞中合成后具有多個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)途徑，使硫苷在葉片不同部位的分布情況不同：(1)硫苷合成后，被運(yùn)輸至質(zhì)外體，進(jìn)入韌皮部，再通過(guò)GTR蛋白進(jìn)入葉肉細(xì)胞和硫細(xì)胞，這些細(xì)胞大概具有 130 mmol/L 的硫苷滲透壓來(lái)保證運(yùn)輸?shù)男蔥48]；(2)葉肉細(xì)胞同樣可以通過(guò)胞間連絲吸收硫苷，硫苷隨后會(huì)被運(yùn)輸至表皮細(xì)胞，并在液泡表面GTR蛋白的作用下儲(chǔ)存在液泡中；(3)如果硫苷合成細(xì)胞位于韌皮部周圍，硫苷會(huì)被GTR轉(zhuǎn)運(yùn)至韌皮部相連的細(xì)胞，然后通過(guò)胞間連絲進(jìn)入韌皮部[13，53](圖2-d)。

在葉片中，硫苷主要集中在邊緣，葉柄以及葉片中軸(圖2-a)。硫苷的分布模式影響了昆蟲(chóng)的攝食習(xí)慣，導(dǎo)致其更加偏好攝食低硫苷含量的葉肉細(xì)胞[58]。硫苷在GTR的作用下運(yùn)輸至葉片邊緣 (圖2-b、圖2-c)，硫苷轉(zhuǎn)運(yùn)至表皮細(xì)胞胞質(zhì)的液泡中，在液泡中形成濃度梯度，在保證表皮細(xì)胞中高硫苷含量的同時(shí)，也可以使硫苷向葉片邊緣流動(dòng)[9]。

植物抽薹后硫苷不再大量?jī)?chǔ)存在葉片，而是通過(guò)GTR轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白逐漸運(yùn)輸至花序[59]。另外，由于衰老器官中前體的減少和氮元素的重新分配，也會(huì)造成葉片中硫苷含量的大幅下降[60]。

硫苷的轉(zhuǎn)運(yùn)模式提供了一種新的育種方向，可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)基因的表達(dá)，實(shí)現(xiàn)保證葉片或者營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期較高硫苷含量的同時(shí)，盡可能降低種子中硫苷含量的目標(biāo)，這樣既能保證抗性不受影響，又提高了菜籽油品質(zhì)。

3 硫苷的水解

硫苷水解過(guò)程中黑芥子酶起重要作用，黑芥子酶是自然界中發(fā)現(xiàn)的唯一可以裂解含硫基團(tuán)葡糖基的酶[61]。黑芥子酶主要由TGG1～TGG6(thioglucoside glucohydrolases，TGG)合成；另外，黑芥子酶合成后需要在ESM1(epithiospecifier-modifier 1)蛋白的協(xié)助下分解硫苷[62]。黑芥子酶通常存在于葉片、莖和花序的韌皮部組織。植物細(xì)胞完整時(shí)，黑芥子酶和硫苷是被生物膜隔離的；當(dāng)植物受到食草類昆蟲(chóng)和病原菌的攻擊時(shí)，硫苷與黑芥子酶之間的隔離被破壞，在黑芥子酶的催化下，硫苷被水解為異硫氰酸酯和腈類等物質(zhì)[63]。硫苷水解生成有毒的水解產(chǎn)物，來(lái)抵抗昆蟲(chóng)或者病原菌的侵害[64]。當(dāng)植物感知到細(xì)菌鞭毛蛋白時(shí)，會(huì)提高吲哚族硫苷的產(chǎn)量，并同時(shí)提高黑芥子酶相關(guān)基因的表達(dá)量，使吲哚硫苷大量水解，其水解產(chǎn)物會(huì)進(jìn)一步刺激胼胝質(zhì)沉淀，從而激活植物的免疫[65]。在某些物種中(如芥末)，黑芥子酶和硫苷可以共存而不發(fā)生水解。這個(gè)現(xiàn)象可能是由于抗壞血酸抑制了黑芥子酶的活性，具體機(jī)制仍需要進(jìn)一步研究[66]。

在不同的條件下硫苷會(huì)產(chǎn)生不同的水解產(chǎn)物：(1)當(dāng)pH值=5～8時(shí)會(huì)產(chǎn)生異硫氰酸酯(isothiocyanate，ITC)；(2)當(dāng)pH值=2～5或者有ESP(epithiospecifier protein)存在的情況下會(huì)產(chǎn)生腈類物質(zhì)；(3)末端雙鍵捕獲腈類形成時(shí)釋放的S原子則會(huì)形成環(huán)硫醚；(4)如果在硫苷的3號(hào)位C原子上連接有羥基官能團(tuán)則會(huì)形成惡唑烷-2-硫酮；(5)當(dāng)pH值=8時(shí)還有可能會(huì)形成硫氰酸酯[67]。腈類是硫苷的簡(jiǎn)單水解產(chǎn)物，其毒性往往不如同一底物產(chǎn)生的ITC[68]。不同種類硫苷的水解產(chǎn)物也不同，水解產(chǎn)物的毒性也有差異。以ITC為例，ITC的毒性取決于硫苷的R基種類以及鏈長(zhǎng)度，芳香族硫苷產(chǎn)生的ITC毒性要大于脂肪族硫苷產(chǎn)生的，而短鏈硫苷產(chǎn)生的ITC毒性則要大于長(zhǎng)鏈硫苷產(chǎn)生的[69]。另外，ITC在植物的耐熱性方面也有貢獻(xiàn)，可以作為一種信號(hào)分子來(lái)調(diào)節(jié)耐熱性[70]。

擬南芥受到綠桃蚜蟲(chóng)(Myzuspersicae)的攻擊時(shí)，葉片中硫苷總量顯著上升，其中4MI3M、8MSO的含量上升最明顯；進(jìn)一步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相較于脂肪族硫苷，吲哚族硫苷會(huì)在CYP81F2酶的作用下產(chǎn)生4-甲氧基吲哚硫苷用于保衛(wèi)細(xì)胞，可能吲哚族硫苷在抵抗昆蟲(chóng)的攝食方面作用更大[71-72]。但是，cyp83a1突變體中不僅吲哚族硫苷的含量下降，表面蠟質(zhì)也減少，這也會(huì)影響蟲(chóng)類的攝食行為，因此不能簡(jiǎn)單地歸因于吲哚族硫苷[73]。

吲哚-3-乙醛是吲哚族硫苷合成過(guò)程的中間產(chǎn)物，同時(shí)也是生長(zhǎng)素(IAA)和植保素的中間產(chǎn)物，當(dāng)IAA缺乏時(shí)，吲哚族硫苷被分解起到補(bǔ)償作用。如果吲哚族硫苷的合成被終止，累積的吲哚-3-乙醛會(huì)衍生為生長(zhǎng)素，植物會(huì)表現(xiàn)出高生長(zhǎng)素累積的表型。cyp79f1突變體中會(huì)產(chǎn)生大量的不定根，是因?yàn)楦械倪胚崃蜍毡壤^高[45]，同時(shí)cyp79f1突變體會(huì)更吸引昆蟲(chóng)的攝食。造成這種現(xiàn)象的原因一方面是由于硫苷含量降低，另一方面也與IAA含量上升有關(guān)，兩者共同導(dǎo)致了昆蟲(chóng)攝食偏好性的改變[84]。

UDP-糖基轉(zhuǎn)移酶基因(UDP-glucosyltransferasegene)是吲哚族硫苷核心結(jié)構(gòu)生成的重要基因，對(duì)核盤菌和灰霉菌的抗性研究發(fā)現(xiàn)，在ugt74中葉片染菌的面積更大，軟腐的現(xiàn)象也更嚴(yán)重；脂肪族硫苷合成關(guān)鍵基因突變后，染菌情況沒(méi)有明顯的差別，這說(shuō)明在核盤菌和灰霉菌的抗性方面，吲哚族硫苷起到了更為重要的作用[74]。

硫苷的水解產(chǎn)物不是對(duì)所有食草性昆蟲(chóng)都具有毒性，有些昆蟲(chóng)會(huì)對(duì)硫苷的水解產(chǎn)物產(chǎn)生抗性，甚至有些昆蟲(chóng)會(huì)將硫苷水解產(chǎn)物作為誘導(dǎo)劑在植株上產(chǎn)卵。這些昆蟲(chóng)對(duì)硫苷的水解產(chǎn)物具有抗性的原因有很多，有些昆蟲(chóng)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生類似于黑芥子酶的蛋白來(lái)影響硫苷的水解，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)昆蟲(chóng)有害的ITC，而是將硫苷水解為腈類物質(zhì)，進(jìn)而排出體外[75]；另一種方式是昆蟲(chóng)體內(nèi)的裂解酶起作用，將硫苷結(jié)合的硫酸根裂解后，導(dǎo)致硫苷無(wú)法被黑芥子酶水解，也就不會(huì)產(chǎn)生毒害物質(zhì)[76]。

在植物生長(zhǎng)環(huán)境營(yíng)養(yǎng)缺乏時(shí)，硫苷還可以起到后備能源的作用。研究發(fā)現(xiàn)，在缺乏硫的土壤上，野生型萌發(fā)時(shí)期擬南芥的質(zhì)量相較于正常生長(zhǎng)條件大幅下降，同時(shí)體內(nèi)的硫苷也下降到了無(wú)法探測(cè)的水平，有可能是因?yàn)樵跔I(yíng)養(yǎng)缺失時(shí)，硫苷作為能源和營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)備發(fā)揮作用[56]。另外，有研究發(fā)現(xiàn)硫苷合成的前體物質(zhì)和水解物質(zhì)之間有聯(lián)系，且這種聯(lián)系是屬間特異的，這賦予了硫苷作為化學(xué)分類標(biāo)志物的潛能[77]。

4 硫苷的應(yīng)用

雖然硫苷會(huì)影響油菜籽的品質(zhì)，但是硫苷仍然有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。比如，研究人員利用硫苷抗菌抗蟲(chóng)的特性，開(kāi)發(fā)出其作為生物熏蒸材料的功能[78]；植物長(zhǎng)期連作會(huì)造成土地營(yíng)養(yǎng)缺失和病蟲(chóng)害暴發(fā)，通過(guò)使用高硫苷含量的十字花科植物作為生物熏蒸材料，不僅可以補(bǔ)充土地肥力[79-80]，同時(shí)硫苷的水解產(chǎn)物如異硫氰酸酯可有效抑制土傳病害[81-82]。試驗(yàn)證明，在不同溫度和不同添加物下抑菌效果也不同，例如在28.5 ℃時(shí)，芥菜與麥麩共同作用，對(duì)黃瓜枯萎病菌的抑制效率最高，抑菌率為68.2%；當(dāng)枯草芽孢桿菌作為添加物，與芥菜結(jié)合使用時(shí)，對(duì)于種植茄子土壤中的大麗輪支菌(Verticilliumdahliae)的抑制率能達(dá)到33%[83]。

研究發(fā)現(xiàn)，很多植物的次生代謝物在抗癌方面有重要的作用。20世紀(jì)80年代研究發(fā)現(xiàn)，硫苷具有抗癌功能[86-88]，起作用的主要物質(zhì)是異硫氰酸酯，對(duì)多種癌癥都有抑制作用，例如前列腺癌、胃癌、皮膚癌等[89]。研究人員通過(guò)純化異硫氰酸酯等水解產(chǎn)物進(jìn)行抗癌研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，它可以通過(guò)阻斷細(xì)胞周期來(lái)抑制前列腺癌細(xì)胞PC-3的增殖[90-91]。目前對(duì)于異硫氰酸酯如何阻斷細(xì)胞周期的機(jī)制尚未研究清晰，研究人員普遍猜測(cè)可能是由于其影響了癌細(xì)胞中的Ⅰ相和Ⅱ相還原酶，進(jìn)而影響了癌細(xì)胞的代謝[92]。

另外，在風(fēng)味方面，吲哚族硫苷和帶有烯基的硫苷水解產(chǎn)物可以產(chǎn)生特殊的苦味以及辛辣味[93]，通常會(huì)被作為調(diào)味品使用，例如辣根[94-96]。

5 總結(jié)與展望

十字花科植物種植廣泛，營(yíng)養(yǎng)豐富，通過(guò)對(duì)十字花科植物次生代謝物硫苷的合成、轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝等方面作更深層次的研究，有助于進(jìn)一步提高硫苷的利用率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

首先，在硫苷合成方面，通過(guò)控制合成MAM、AOP2等關(guān)鍵基因的表達(dá)，可以調(diào)節(jié)硫苷總量，也可以調(diào)節(jié)脂肪族硫苷和吲哚族硫苷的比例，實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)。例如，可以增加吲哚族硫苷的比例來(lái)提高其抗癌的作用，或提高脂肪族硫苷的比例來(lái)使其更加辛辣。其次，對(duì)于硫苷水解也值得進(jìn)一步研究。水解產(chǎn)物對(duì)于維持植物自身的抗逆性十分重要，在抗癌和風(fēng)味調(diào)節(jié)等方面也有貢獻(xiàn)。除此之外，如何利用水解產(chǎn)物的特性來(lái)開(kāi)發(fā)更多的功能，仍需要繼續(xù)研究。對(duì)硫苷轉(zhuǎn)運(yùn)能力的調(diào)節(jié)可以改變硫苷在不同部位的含量，在轉(zhuǎn)運(yùn)能力被限制后，大量的硫苷會(huì)滯留在營(yíng)養(yǎng)器官，使植株的抗逆性增加，并且能夠減少餅粕中硫苷的含量，提高餅粕的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。最后，硫苷被人體攝入后的反應(yīng)及作用機(jī)制仍未被闡明，而最大化提升該機(jī)制對(duì)人體抗癌功能的同時(shí)，減少硫苷水解物對(duì)人體的危害十分關(guān)鍵，因此該方向具有很強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值。

總之，硫代葡萄糖苷研究的重點(diǎn)是生物合成、運(yùn)輸、分解，隨著相關(guān)基礎(chǔ)研究的不斷深入，可以預(yù)見(jiàn)這3個(gè)機(jī)制將會(huì)被闡明，使硫苷在試驗(yàn)和生活中發(fā)揮更多作用。