蔬菜作物中瓜氨酸代謝調(diào)控研究進(jìn)展

楊東東，朱紅菊，趙 永，劉文革

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所 鄭州 450009）

瓜氨酸（Citrulline），又名氨基甲酰鳥氨酸，在植物中為精氨酸合成的前體物質(zhì)[1]。瓜氨酸在西瓜汁中首先被發(fā)現(xiàn)，分子構(gòu)型為L(zhǎng) 型，故被稱為L(zhǎng)-瓜氨酸[2]，在葫蘆科植物中廣泛存在[3-6]。一些其他植物如核桃[7]、蘑菇、莧菜和羽衣甘藍(lán)等[8]中也含有少量瓜氨酸。

蔬菜作物中，瓜氨酸不僅作為氮代謝途徑中重要物質(zhì)，同時(shí)也作為重要的抗逆物質(zhì)，在逆境脅迫條件下，維持作物的正常生長(zhǎng)[9-12]，瓜氨酸下游物質(zhì)精氨酸的代謝產(chǎn)物多胺（PA）和一氧化氮（NO）等在植物抗逆方面也具有重要作用[13]。人體中，瓜氨酸能夠清除體內(nèi)的羥基，具有抗氧化、保護(hù)DNA、提高免疫力等作用[14]。同時(shí)瓜氨酸在治療男性功能障礙、精氨酸缺乏癥以及促進(jìn)人類肌肉運(yùn)動(dòng)和恢復(fù)等方面中也具有重要作用[15-19]。

目前，瓜氨酸可進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)，主要是由特殊的微生物菌株發(fā)酵生產(chǎn)[20]。雖然菌株發(fā)酵生產(chǎn)瓜氨酸產(chǎn)量高于植物生產(chǎn)，且更加經(jīng)濟(jì)，但蔬菜作物中除瓜氨酸以外還含有其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，相對(duì)于商業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)的瓜氨酸，蔬菜中瓜氨酸更天然且更易攝取。因此，研究分析蔬菜作物中瓜氨酸的合成積累機(jī)制及發(fā)掘調(diào)控瓜氨酸合成關(guān)鍵酶和酶基因具有重要意義。筆者對(duì)西瓜等蔬菜作物中瓜氨酸的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，提出目前蔬菜作物中瓜氨酸研究存在的問題并進(jìn)行了展望，旨在為蔬菜作物中瓜氨酸的深入研究提供參考。

1 瓜氨酸在蔬菜作物中的含量分布

瓜氨酸在蔬菜作物中廣泛存在，如西瓜[3]、栝蔞、南瓜、冬瓜、絲瓜、苦瓜[4]、甜瓜[5-6]、鷹嘴豆、洋蔥、蘑菇等[8]中均含有瓜氨酸。相較于其他蔬菜作物，在葫蘆科作物如西瓜[3]、甜瓜、南瓜、絲瓜、苦瓜等[4-6]的果實(shí)中被認(rèn)為含有大量的瓜氨酸，它們的其他器官如葉、根、莖、種子等[6]中也含有瓜氨酸，且瓜氨酸的含量具有組織特異性，不同組織含量存在顯著差異[6，21-22]，這表明瓜類種或亞種形成及馴化過(guò)程中可能存在一些進(jìn)化保守的調(diào)控因子。不同葫蘆科植物果實(shí)中瓜氨酸含量存在顯著差異[6]。Davis 等[23]研究表明，西瓜果實(shí)鮮樣中瓜氨酸含量可達(dá)7.21 g?kg-1，而部分葫蘆科植物果實(shí)中瓜氨酸含量水平較低甚至不含有瓜氨酸，如黃瓜中瓜氨酸含量約為西瓜中的1/10[6]，直頸黃南瓜中沒有檢測(cè)到瓜氨酸[24]。

相比較于其他葫蘆科作物，西瓜中的瓜氨酸含量最高[5，25-27]。不同品種的西瓜果實(shí)中瓜氨酸含量存在差異，且均受生態(tài)環(huán)境影響，受環(huán)境影響的程度也有差異[3，23，28]。西瓜中瓜氨酸含量與西瓜倍性和瓤色的關(guān)系一直被關(guān)注，Rimando 等[29]研究發(fā)現(xiàn)，三倍體西瓜果實(shí)中瓜氨酸含量高于二倍體，黃、橙色瓜瓤的西瓜瓜氨酸含量高于紅瓤；李蒙蒙等[30]研究表明，西瓜瓜氨酸含量與果肉顏色有關(guān)；萬(wàn)學(xué)閃等[27]研究表明，二倍體西瓜果實(shí)瓜氨酸含量為白瓤＆gt;黃瓤＆gt;紅瓤；劉文革等[31]研究發(fā)現(xiàn)，不同倍性西瓜果實(shí)中瓜氨酸含量為三倍體＆gt;四倍體＆gt;二倍體。而Davis 等[32]研究表明，瓜氨酸含量與西瓜倍性不相關(guān)，因?yàn)橥慈扼w與二倍體和其誘導(dǎo)的同源四倍體親本的瓜氨酸含量沒有顯著差異。但研究者均未進(jìn)一步針對(duì)不同倍性西瓜中瓜氨酸含量差異的深層機(jī)制進(jìn)行深入研究。綜上可以看出瓜氨酸含量與西瓜品種、倍性、瓤色、環(huán)境等存在著相關(guān)關(guān)系。

2 瓜氨酸在蔬菜作物中的運(yùn)輸及分配機(jī)制

2.1 韌皮部與瓜氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)

植物韌皮部運(yùn)輸是水分、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和其他光合產(chǎn)物長(zhǎng)距離分配的關(guān)鍵途徑，在植物發(fā)育過(guò)程中和惡劣環(huán)境下從源組織到庫(kù)組織的物質(zhì)運(yùn)輸中發(fā)揮作用[33]。許多研究結(jié)果表明，瓜氨酸可能參與韌皮部長(zhǎng)距離運(yùn)輸，如樺木[34]、核桃[35]、南瓜屬[36]和褐藻[37]等已被證明在韌皮部分泌物中運(yùn)輸大量瓜氨酸。甜瓜葉片的韌皮部汁液中在光周期的光照早期會(huì)積累大量瓜氨酸，在暗期瓜氨酸水平顯著下降[38]，表明瓜氨酸可能通過(guò)韌皮部從源運(yùn)輸?shù)綆?kù)；Joshi 等[39]也發(fā)現(xiàn)，瓜氨酸可能在西瓜其他器官合成并通過(guò)維管系統(tǒng)長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)焦麑?shí)。一些參與瓜氨酸代謝的基因表達(dá)的研究也表明，瓜氨酸可能參與蔬菜作物韌皮部長(zhǎng)距離運(yùn)輸。如西瓜韌皮液中乙酰鳥氨酸脫乙?；富颍–la016179）的表達(dá)量比維管組織中高約35 倍，且乙酰鳥氨酸去乙酰化酶基因（Cla016181）在伴胞中也有表達(dá)[40]，瓜氨酸合成酶OTC（鳥氨酸氨甲酰轉(zhuǎn)移酶）和（氨甲酰磷酸合成酶）CPS（大亞基：Cla005591和小亞基：Cla022915）基因在果實(shí)維管、果肉和果皮組織發(fā)育中均有表達(dá)，且在果皮和果肉的整個(gè)發(fā)育過(guò)程中，OTC 基因表達(dá)穩(wěn)定，而精氨酸琥珀酸酶基因（Cla022154）和精氨酸琥珀酸合酶基因（Cla019267，Cla002609）的表達(dá)下調(diào)，瓜氨酸水平升高，且分解代謝酶基因的下調(diào)主要發(fā)生在果肉組織中[40]；其他研究表明，果實(shí)發(fā)育過(guò)程中，果肉中參與瓜氨酸分解代謝的精氨酸琥珀酸裂解酶基因（Cla022154）和精氨酸琥珀酸合酶基因（Cla002609，Cla019267）下調(diào)，相應(yīng)果皮中瓜氨酸含量增高，而參與瓜氨酸合成的N-乙酰鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶基因（Cla015337）和N-乙酰谷氨酸合成酶基因（Cla014036）在果實(shí)發(fā)育過(guò)程中僅在果皮組織中逐步上調(diào)[41-42]。綜上表明，西瓜等蔬菜作物果實(shí)中瓜氨酸含量的積累可能是瓜氨酸在葉片、果皮等部位合成并在果實(shí)成熟過(guò)程中由韌皮部維管轉(zhuǎn)入果肉中，在多種參與瓜氨酸合成和分解酶的協(xié)同調(diào)節(jié)下維持一定的濃度。

2.2 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與瓜氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)

氨基酸通過(guò)韌皮部和木質(zhì)部的長(zhǎng)距離運(yùn)輸由膜結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的裝載和卸載活動(dòng)介導(dǎo)[43]。氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（AAT）在高等植物中介導(dǎo)氨基酸跨細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)、長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)以及植物對(duì)生物和非生物脅迫的反應(yīng)[44]。擬南芥中轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AAP3 和AAP5 在堿性氨基酸如精氨酸的高效轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮作用[45]，其中AAP5 的調(diào)控基因（At1g44100）在許多組織中表達(dá)，介導(dǎo)根中堿性氨基酸的吸收[39，43]，而AAP3 的調(diào)控基因（At1G77380）主要在根和韌皮部中表達(dá)，可能促進(jìn)韌皮部的裝載[46]。瓜氨酸也屬于堿性氨基酸[47]，可能由這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到植物體各個(gè)部位。目前還沒有針對(duì)蔬菜作物中AAP3和AAP5基因開展研究工作。

擬南芥L-鳥氨酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白/線粒體載體家族蛋白BAC1（AT2G33820）和BAC2（AT1G79900）可轉(zhuǎn)運(yùn)堿性和中性氨基酸，其中BAC2 顯示出L-瓜氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)的特異性[48]，且BAC1和BAC2在大多數(shù)器官中組成型表達(dá)，在花朵和果實(shí)中也有較高的表達(dá)[49]。在與擬南芥BAC2基因具有高度同源性的兩個(gè)西瓜基因中，BAC2-like基因Cla012675在韌皮部特異性表達(dá)，其轉(zhuǎn)錄僅在果皮組織，而Cla015439的表達(dá)相對(duì)較低，僅存在果肉和果皮組織[39]，這些基因的差異表達(dá)表明，它們可能在西瓜中參與瓜氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)，這與擬南芥BAC2基因在脅迫和衰老過(guò)程中被誘導(dǎo)的結(jié)果一致[50]。在藥西瓜干旱脅迫的葉片[51]和栽培西瓜的根[52]中的研究表明，Cla012675基因?qū)习彼峋哂懈叨忍禺愋?，可能在非生物脅迫或衰老期間的蔬菜作物根部或葉子中轉(zhuǎn)運(yùn)瓜氨酸。目前尚無(wú)西瓜中BAC1 和BAC2 直系同源物亞細(xì)胞水平的研究。但有研究表明，瓜氨酸在質(zhì)體中合成，預(yù)測(cè)質(zhì)體膜上的蛋白質(zhì)具有輸出瓜氨酸的能力[39]。綜上表明，對(duì)瓜氨酸的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)行研究非常重要，目前蔬菜中轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在瓜氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)中的作用、底物特異性、組織特異性和發(fā)育調(diào)節(jié)以及亞細(xì)胞定位尚不清楚。但對(duì)瓜氨酸生物合成和分解代謝相關(guān)的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物進(jìn)行研究可能是尋找蔬菜作物候選瓜氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的一種有效方式。

2.3 滲透酶與瓜氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)

部分氨基酸滲透酶在瓜氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮重要作用，如來(lái)自蓖麻子的氨基酸滲透酶基因（RcAAP3）已被克隆[53]，其特異性介導(dǎo)酵母轉(zhuǎn)運(yùn)突變體中瓜氨酸的攝取，對(duì)瓜氨酸具有高親和力；水稻AAPs 家族中OsAAP1 和OsAAP3 運(yùn)輸中性和帶正電形式的堿性氨基酸，包括精氨酸和瓜氨酸[46]，與精氨酸相比，OsAAP1 對(duì)瓜氨酸表現(xiàn)出更高的親和力，可能在瓜氨酸的運(yùn)輸中發(fā)揮作用，亞細(xì)胞定位表明，洋蔥和擬南芥中OsAAP1 和OsAAP3 定位于質(zhì)膜，在洋蔥表皮細(xì)胞或在擬南芥中穩(wěn)定表達(dá)[46]；西瓜基因組中發(fā)現(xiàn)了2 個(gè)擬南芥AAP3/5-like 序列的直系同源物，西瓜氨基酸通透酶基因（Cla023187和Cla013912）與擬南芥氨基酸滲透酶具有88%的同源性，與蓖麻的AAP3 具有80%的同源性，與水稻AAP1 具有60%的同源性[39]，對(duì)瓜氨酸具有高親和力；前人研究發(fā)現(xiàn)，在西瓜成熟期間，氨基酸通透酶基因Cla023187和Cla013912在果肉和果皮組織中顯著持續(xù)下調(diào)，這2 種酶基因還可能選擇性地允許瓜氨酸在葉片和根部積累，因?yàn)樗鼈冊(cè)谝吧鞴细珊得{迫的葉片[51]和栽培西瓜干旱脅迫的根[52]中顯著上調(diào)。綜上所述，蔬菜作物中瓜氨酸可能受到瓜氨酸特異性氨基酸滲透酶的調(diào)節(jié)。

3 瓜氨酸在蔬菜作物氮代謝過(guò)程中的作用

植物中有機(jī)氮的運(yùn)輸主要是通過(guò)氨基酸形式，富含氮的精氨酸和瓜氨酸可能是內(nèi)源性氮儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)闹匾糠諿54]，可作為主要可溶性氮產(chǎn)物、木質(zhì)部汁液中固氮含量的主要產(chǎn)物[55-57]，瓜氨酸能改變木質(zhì)部汁液中的氮營(yíng)養(yǎng)、根瘤活性和含氮化合物的轉(zhuǎn)運(yùn)水平[58]，在氮供應(yīng)中斷脅迫[59]以及外界補(bǔ)充氮含量的條件下參與內(nèi)部氮素貯存中發(fā)揮重要作用[60-64]。在蔬菜作物如葫蘆科物種中，瓜氨酸是有機(jī)氮含量的主要載體[65]，在黃瓜開花期間，葉片和子房中檢測(cè)到約占總氨基酸含量1/3 的瓜氨酸，并通過(guò)木質(zhì)部移動(dòng)[66]。前人研究發(fā)現(xiàn)，愛爾蘭苔蘚內(nèi)存在高濃度瓜氨酸-精氨酸二肽，以補(bǔ)充硝酸鹽或氨，占氮儲(chǔ)備的一半[67]，但在蔬菜作物中，瓜氨酸大多以游離形式單獨(dú)存在，目前在蔬菜作物中還未發(fā)現(xiàn)瓜氨酸與其他氨基酸結(jié)合存在。綜上所述，瓜氨酸在蔬菜作物氮代謝過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用，但是具體作用機(jī)制尚不清楚。

4 瓜氨酸的代謝通路及重要酶基因

4.1 蔬菜作物中瓜氨酸代謝通路

瓜氨酸是鳥氨酸循環(huán)的重要組成成分、精氨酸合成的前體物質(zhì)和一氧化氮循環(huán)的中間體。瓜氨酸的合成與精氨酸緊密聯(lián)系。瓜氨酸合成途徑在動(dòng)物[68]、真菌[69]、原核生物[70]以及模式植物擬南芥[39，71]中研究較多，目前在一些特殊工程菌中瓜氨酸的代謝通路以及調(diào)控機(jī)制已經(jīng)研究得非常清晰并且已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)[72]，而在植物中的研究還不夠清晰。

植物中，瓜氨酸的合成途徑主要分為兩個(gè)過(guò)程，第一個(gè)過(guò)程是谷氨酸通過(guò)循環(huán)途徑或線性途徑生成鳥氨酸；第二個(gè)過(guò)程是鳥氨酸生成瓜氨酸以及鳥氨酸的再生（圖1），又叫“鳥氨酸循環(huán)”[73]。其中谷氨酸到N-乙酰鳥氨酸和乙酰基的生成被稱為“鳥氨酸合成途徑”，此合成途徑在植物中高度保守[74]。

圖1 植物中瓜氨酸合成代謝途徑[39]

4.2 蔬菜作物中瓜氨酸重要調(diào)控酶基因

瓜氨酸在植物中積累代謝調(diào)控酶以及酶相關(guān)基因的克隆和功能鑒定的研究主要集中在模式植物擬南芥上[71，73，75]。除擬南芥外，對(duì)西瓜[40]、番茄[48]、水稻[76]等作物的瓜氨酸合成途徑相關(guān)基因也有一定的研究。一些植物中瓜氨酸合成途徑中的部分調(diào)控基因目前也已被克隆，一些基因的功能也已經(jīng)得到初步的認(rèn)證（表1）。

表1 擬南芥與蔬菜作物中部分已鑒定的瓜氨酸合成相關(guān)基因及其功能

N-乙酰谷氨酸合成酶（NAGS）受精氨酸反饋調(diào)節(jié)，活性被高濃度的精氨酸抑制而被低濃度精氨酸激活[77-78]，番茄中SINAGSI基因蛋白與擬南芥中兩個(gè)猜測(cè)的NAGS 蛋白NAGS1 和NAGS2 有較高的相似性，其表達(dá)具有組織特異性[77]，主要位于葉綠體中，超表達(dá)SINAGSI，擬南芥中瓜氨酸和野生型相比含量升高，對(duì)干旱和鹽脅迫忍受能力也有提高[79]；N-乙酰谷氨酸激酶（NAGK）是一種質(zhì)體定位蛋白，位于擬南芥的葉綠體中[80-81]，是瓜氨酸合成途徑的關(guān)鍵酶和限速酶，活性可被高濃度精氨酸抑制[82]，這個(gè)過(guò)程是通過(guò)調(diào)節(jié)PII 蛋白與NAGK 的相互作用實(shí)現(xiàn)的[83-84]，此外NAGK 也可以被N-乙酰谷氨酸激活[85]；鳥氨酸氨甲酰轉(zhuǎn)移酶（OTC）[86]被證實(shí)在許多植物中存在[87-90]，多位于植物葉綠體[91]和線粒體中，有些也位于細(xì)胞質(zhì)中[92]，是瓜氨酸合成途徑的關(guān)鍵酶[93]，OTC 的活性是可逆的，擬南芥中OTC基因（At1g75330）在所有部位都有表達(dá)[85]，OTC 插入突變導(dǎo)致突變植物對(duì)外源提供的鳥氨酸高度敏感，而對(duì)瓜氨酸不敏感[94]。在西瓜基因組有一個(gè)OTC-like基因（Cla020781），相應(yīng)的預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)序列與之前報(bào)道的OTCases 高度同源；N-乙酰谷氨酸-5-磷酸還原酶（NAGPR）研究的較少[95-96]，擬南芥中NAGPR 由單基因At2g19940編碼；N-乙酰鳥氨酸谷氨酸轉(zhuǎn)移酶（GAT）是葉綠體酶，具有較高的熱穩(wěn)定性和不敏感性，在高濃度的精氨酸和瓜氨酸的條件下不會(huì)被反饋抑制；N-乙酰鳥氨酸轉(zhuǎn)移酶（NAOAT）主要于葉綠體中，與根系表型有關(guān)，擬南芥中NAOAT 由TUMOR PRONE編碼，TUMOR PRONE隱性突變材料中精氨酸顯著減少，表現(xiàn)出短根現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可通過(guò)補(bǔ)充精氨酸和其前體物質(zhì)恢復(fù)[97]；水稻中精氨酸琥珀酸裂解酶（ASL）基因（OsASLI）表達(dá)具有組織特異性，OsASLI有2 個(gè)可變剪接的轉(zhuǎn)錄本OsASL1.1和OsASL1.2，OsASL1.1在整個(gè)生長(zhǎng)季大多數(shù)器官中都有表達(dá)，而OsASL1.2僅僅只在根中表達(dá)[76]，ASL基因突變，可能導(dǎo)致精氨酸的含量減少，進(jìn)而使水稻表現(xiàn)出短根現(xiàn) 象[76，97]；NAOD 調(diào) 節(jié) 植 物 細(xì) 胞 中 鳥 氨 酸 的 含量[98]，并通過(guò)多胺合成調(diào)控碳氮平衡，在植物開花和坐果過(guò)程中發(fā)揮作用；N-乙酰谷氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶（NAOGAcT）最初被認(rèn)為和NAOD 相同，但擬南芥中，在沒有功能性NAOD 的情況下，鳥氨酸積累的減少不能通過(guò)NAOGAcT 活性得到補(bǔ)償[98]，表明NAOGAcT 功能可能次于NAOD；精氨酸酶（Arginase）活性在擬南芥[99]和其他一些植物[100]幼苗發(fā)育過(guò)程中急劇增加，擬南芥中Arginase 活性急劇增加主要是ARGAH2在起作用[101]，擬南芥中ARGAH2的過(guò)表達(dá)會(huì)導(dǎo)致精氨酸和鳥氨酸的含量降低[102]；精氨酸琥珀酸合酶（ASS）和精氨酸琥珀酸裂解酶（ASL）的亞細(xì)胞定位因植物類型而異[103]，一般定位于質(zhì)體、細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核[73，97，103-107]，精氨酸琥珀酸合酶（ASS）和精氨酸甘氨酸裂解酶（ASL）基因突變植物與野生型植物相比，精氨酸顯著減少[108]；動(dòng)物中NOS 將精氨酸轉(zhuǎn)化為NO 和瓜氨酸[109]，植物中精氨酸依賴性NOS 也促進(jìn)NO 產(chǎn)生[101，110]，僅少量研究表明可能同時(shí)產(chǎn)生瓜氨酸[63]。

5 瓜氨酸在蔬菜作物抗逆中的作用

逆境脅迫條件下，蔬菜作物對(duì)瓜氨酸的含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持正常生長(zhǎng)[28]。在植株受到干旱等脅迫時(shí)，西瓜和一些瓜類植物葉片中瓜氨酸會(huì)在一些酶如（N-乙酰谷氨酸轉(zhuǎn)移酶）GAT 的參與下大量積累[10-12，111-112]，維持水分狀態(tài)[9]，清除體內(nèi)多余的自由基，抵御逆境的傷害[10]；外施瓜氨酸能夠提高受脅迫種子的活性，促進(jìn)種子萌發(fā)[113]；西瓜中谷氨酰胺?；D(zhuǎn)移酶基因在干旱脅迫下會(huì)上調(diào)[114]；用抗病性南瓜砧木嫁接西瓜，嫁接苗果實(shí)的瓜氨酸含量高于自根苗，且瓜氨酸含量維持時(shí)間更長(zhǎng)[3，115-116]。干旱脅迫和低溫處理會(huì)誘導(dǎo)瓜氨酸在甜瓜葉片和韌皮部汁液中積累，而其他氨基酸相對(duì)沒有變化[65]；黃瓜中西瓜同源基因CsNOA1的直系同源物已被證明在低溫脅迫中發(fā)揮作用[117]，但尚未對(duì)其與瓜氨酸的關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證；Cao 等[118]驗(yàn)證表明，ABA 和瓜氨酸之間具有強(qiáng)相關(guān)性。對(duì)非葫蘆科植物物種的幾項(xiàng)研究揭示了在干旱或鹽脅迫下參與瓜氨酸生物合成的基因顯著富集，如番茄[119]、水稻[120]，野生小麥[121]、鷹嘴豆[122]和過(guò)表達(dá)DOF（DNA binding with one finger）轉(zhuǎn)錄因子的擬南芥[123]。

光呼吸是植物有效利用氮的必要過(guò)程，光呼吸受阻，氮同化受抑制[124]。擬南芥中瓜氨酸含量與光呼吸酶GGAT 活性密切相關(guān)，GGAT 基因過(guò)表達(dá)會(huì)選擇性地誘導(dǎo)瓜氨酸含量積累[64]；擬南芥GLU1 突變體中高水平的光呼吸銨部分轉(zhuǎn)移到CPS 介導(dǎo)的途徑，導(dǎo)致精氨酸通過(guò)瓜氨酸代謝大量積累[125]；線粒體甘氨酸脫羧酶復(fù)合物（GDC）釋放的光呼吸銨通過(guò)線粒體中的CPS 重新同化為谷氨酰胺合成酶和氨基甲酰磷酸（CP）[54]，這2 種酶都參與瓜氨酸合成，瓜氨酸合成的調(diào)節(jié)被認(rèn)為是在CPS 的水平上[126]，擬南芥ven3和ven6網(wǎng)狀突變體葉片中鳥氨酸和N-乙酰-L-鳥氨酸的累積量增加，瓜氨酸含量水平降低[127]，這些代謝變化表明，CPS 在提供CP 底物參與瓜氨酸合成和瓜氨酸在植物光呼吸中發(fā)揮作用；在缺乏質(zhì)體谷氨酰胺合成酶的蓮屬植物中，CP 水平?jīng)]有變化，當(dāng)植株光呼吸活躍時(shí)，野生基因型的CP 水平顯著提高[128]。但蔬菜作物中還未見相關(guān)研究。

植物在脅迫條件下電子傳遞鏈會(huì)被破壞，活性氧（ROS）積累，造成細(xì)胞損傷。植物能夠利用酶促和非酶促抗氧化劑來(lái)清除ROS，其中氨基酸、糖醇和叔胺等滲透物是強(qiáng)大的抗氧化劑，能增強(qiáng)植物對(duì)脅迫的耐受性[129]。瓜氨酸被認(rèn)為是比甘露醇、脯氨酸和甘氨酸甜菜堿更有效的羥基自由基清除劑[10]，保護(hù)綠色組織免受氧化應(yīng)激[130]。野生西瓜干旱脅迫葉片中參與瓜氨酸含量生物合成基因上調(diào)，參與瓜氨酸含量分解代謝的基因下調(diào)[51]。綜上表明，瓜氨酸在逆境脅迫下發(fā)揮重要作用，能作為蔬菜作物耐逆境脅迫的代謝標(biāo)志物加以應(yīng)用。

6 討論與展望

隨著人們對(duì)飲食健康的關(guān)注，天然植物瓜氨酸的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值被逐漸重視起來(lái)。同時(shí)瓜氨酸在蔬菜作物抗逆[28]以及氮代謝[65]中也發(fā)揮了重要作用，如參與氮營(yíng)養(yǎng)長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)[36]、脅迫期間維持細(xì)胞滲透壓[9]、作為光呼吸NH4+的清除劑[125]等，表明瓜氨酸可以作為研究蔬菜作物脅迫耐受性的有效標(biāo)志物。蔬菜作物中瓜氨酸含量的穩(wěn)定可能是分解代謝減少、生物合成增加[40-42]、長(zhǎng)距離運(yùn)輸[36]、跨果皮和果肉組織分配[41-42]的綜合結(jié)果。目前人們對(duì)蔬菜作物中瓜氨酸的合成代謝已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)[73]，但許多參與瓜氨酸合成代謝的酶尚未進(jìn)行功能驗(yàn)證，瓜氨酸通過(guò)維管系統(tǒng)調(diào)節(jié)或轉(zhuǎn)運(yùn)的完整模型尚未建立，對(duì)瓜氨酸細(xì)胞間/內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)和植物生理作用調(diào)節(jié)的生化和分子機(jī)制還不夠清晰，一些調(diào)控基因、轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控瓜氨酸的合成過(guò)程中的地位、具體途徑也尚不清楚。

目前許多園藝作物的基因組、轉(zhuǎn)錄組及代謝組等相關(guān)數(shù)據(jù)正逐漸完善[131-133]，瓜氨酸合成途徑中相關(guān)的基因和酶也逐漸被廣泛研究[40，48，71]，一些酶類的亞細(xì)胞定位以及相關(guān)基因的分離和鑒定技術(shù)逐漸成熟。未來(lái)可以將重點(diǎn)放在瓜氨酸或鳥氨酸特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的研究上，有助于對(duì)蔬菜中瓜氨酸動(dòng)態(tài)合成和運(yùn)輸?shù)睦斫?。識(shí)別更多潛在的瓜氨酸調(diào)控酶，獲得瓜氨酸亞細(xì)胞和長(zhǎng)距離分配的精準(zhǔn)定位也尤為重要。在蔬菜發(fā)育過(guò)程中不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和環(huán)境脅迫下進(jìn)行全植物代謝分析，并結(jié)合它們的組織特異性和亞細(xì)胞定位實(shí)驗(yàn)，發(fā)掘游離瓜氨酸的合成、同化、運(yùn)輸和積累位點(diǎn)，對(duì)瓜氨酸代謝和運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)步驟及分子機(jī)制進(jìn)行更好的定性。同時(shí)可以對(duì)蔬菜作物體內(nèi)調(diào)節(jié)瓜氨酸合成代謝的酶及其調(diào)控基因以及關(guān)于瓜氨酸的信號(hào)傳導(dǎo)等進(jìn)行深入研究。西瓜的果實(shí)中含有大量的瓜氨酸[6]，作為一種鮮食水果，人們更容易從中攝取到天然優(yōu)質(zhì)的瓜氨酸營(yíng)養(yǎng)。同時(shí)西瓜是一個(gè)很具代表性的模型系統(tǒng)，具有可利用的遺傳作圖資源[134]、新一代測(cè)序數(shù)據(jù)、廣泛的自然遺傳多樣性以及基因組信息數(shù)據(jù)庫(kù)[133]，這種全面的數(shù)據(jù)集可以幫助研究者提高對(duì)瓜氨酸動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的理解。對(duì)西瓜群體進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）將有助于挖掘與瓜氨酸代謝相關(guān)的新基因或有利等位基因，從而有效提高作物中瓜氨酸的含量和穩(wěn)定性，為培育高瓜氨酸含量的西瓜新品種提供理論依據(jù)，為人類營(yíng)養(yǎng)和健康作出貢獻(xiàn)。