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        煙草重要基因篇:3.煙草煙堿合成代謝相關(guān)基因

        2014-01-29 06:55:08張洪博
        中國煙草科學(xué) 2014年3期
        關(guān)鍵詞:腐胺液泡還原酶

        張洪博

        (西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院,重慶 400715)

        煙堿(nicotine),即尼古丁,是煙草生物堿(包括煙堿、降煙堿、新煙草堿和假木賊堿等)的一種,約占煙草生物堿總含量的90%~95%[1]。煙葉煙堿含量占葉片干重的0.6%~3.0%,是煙草和卷煙質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。對煙堿代謝的分子遺傳學(xué)研究可以揭示煙堿代謝累積的分子機(jī)制,并為煙堿含量及煙堿成分調(diào)節(jié)相關(guān)的育種工作提供理論基礎(chǔ)。近年來,有關(guān)煙堿合成、轉(zhuǎn)運(yùn)及轉(zhuǎn)化的一些重要基因已被陸續(xù)克隆,對煙堿合成代謝機(jī)理研究和煙草遺傳育種工作產(chǎn)生了重要推動作用。

        1 煙堿合成相關(guān)基因

        煙堿分子由一個吡咯烷環(huán)和一個吡啶環(huán)構(gòu)成,在煙草根部合成,通過木質(zhì)部向地上部運(yùn)輸,在煙草植株的葉片中含量最高,莖部含量最低[2-3]。

        煙堿吡咯烷環(huán)由氮代謝中形成的腐胺合成。腐胺可通過精氨酸脫羧酶(ADC,arginine decarboxylase)催化精氨酸脫羧形成,或由鳥氨酸脫羧酶(ODC,ornithine decarboxylase)催化鳥氨酸脫羧形成[4-6]。腐胺在腐胺 N-甲基轉(zhuǎn)移酶(PMT,putrescine-N-methyltransferase)作用下獲得由 S-腺苷蛋氨酸(SAM,S-adenosyl-L-methionine)提供的甲基形成 N-甲基腐胺[7-9],這是一個依賴S-腺苷蛋氨酸合成酶(SAMS,S-adenosylmethionine synthase)活性的反應(yīng)。N-甲基腐胺在N-甲基腐胺氧化酶(MPO,N-methylputrescine oxidase)催化下形成4-甲氨基丁醚[10],并通過自身環(huán)化形成N-甲基-△1-吡咯啉陽離子,隨后與提供吡啶環(huán)部分的煙酸衍生物發(fā)生縮合反應(yīng)形成煙堿[11]。

        煙堿吡啶環(huán)部分由煙酸提供,其前體是由天冬氨酸合成的喹啉酸[12]。喹啉酸在喹啉酸磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(QPRT,quinolinate phosphoribosyltransferase)催化下形成煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD),然后經(jīng)由吡啶核苷酸循環(huán)途徑生成煙酸[7,13]。

        近期有關(guān)煙堿吡咯烷環(huán)部分和吡啶環(huán)部分縮合反應(yīng)的研究表明,NADPH依賴性還原酶的PIP 家族(包括松脂醇還原酶、異黃酮還原酶和苯基香豆?jié)M芐基醚還原酶)成員類異黃酮還原酶基因A622及其同源基因參與了這一過程[14-15],小檗堿橋接酶(Berberine bridge enzyme)家族成員BBL基因也參與了這一反應(yīng)[16]。

        2 煙堿轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因

        煙堿在煙草根尖細(xì)胞合成后[2,17],經(jīng)木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)綗熑~的葉肉細(xì)胞并儲存于液泡內(nèi),推測應(yīng)有大量蛋白參與了煙堿的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。近期研究已從煙草中分離鑒定了若干煙堿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因,主要有定位于液泡膜的煙堿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因及定位于質(zhì)膜的煙堿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因。

        目前發(fā)現(xiàn)的定位于液泡膜的煙堿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因主要是多藥與毒性化合物外排家族(MATE,multidrug and toxic compound extrusion)基因。MATE是一類新型二級轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因家族,在植物中有多個成員[18]。2009年,Morita等從煙草中分離到一個MATE家族的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因,該基因受茉莉酸誘導(dǎo)表達(dá),被命名為茉莉酸誘導(dǎo)煙堿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因JAT1[19]。JAT1蛋白定位于煙草葉片細(xì)胞的液泡膜上,可以轉(zhuǎn)運(yùn)煙堿及假木賊堿[19]。同時,另外兩個煙堿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因 MATE1 和MATE2也在煙草中得到分離,MATE1和MATE2蛋白也定位于煙草葉片細(xì)胞的液泡膜上[20]。

        最近分離鑒定的煙草尼古丁吸收透性酶(NUP1,nicotine uptake permease 1)基因編碼另一類具有煙堿轉(zhuǎn)運(yùn)功能的蛋白,與定位于液泡膜上的MATE蛋白不同,NUP1蛋白定位于質(zhì)膜上,負(fù)責(zé)將胞質(zhì)外體的煙堿轉(zhuǎn)運(yùn)到胞質(zhì)內(nèi)[21]。此外,NUP1與MATE蛋白的煙堿轉(zhuǎn)運(yùn)功能也有差別[21]。

        3 煙堿轉(zhuǎn)化相關(guān)基因

        煙堿是煙草特有亞硝胺NNK[4-(N-甲基亞硝胺基)-1-(3-吡啶基)-1-丁酮]和NNN(N'–亞硝基降煙堿)的前體[22]。煙草中煙堿向降煙堿的轉(zhuǎn)化由細(xì)胞色素P450基因家族中CYP82E亞族成員編碼的煙堿-N-去甲基化酶(NND,nicotine N-demethylase)催化[23]。降煙堿是一種有害物質(zhì),是致癌物N'–亞硝基降煙堿(NNN)的主要前體[24-25]。目前已有多個催化煙堿向降煙堿轉(zhuǎn)化的基因得到分離和鑒定,如:CYP82E5v2[23]、CYP82E2[26]、CYP82E10[27]和CYP82E4[28]等。在這些煙堿-N-去甲基化酶基因中,CYP82E5v2在綠色葉片中表達(dá)量較高,CYP82E4則主要在衰老葉片中表達(dá)[23]。近期還發(fā)現(xiàn)一個亞甲基四氫葉酸還原酶 MTHFR1(Methylenetetrahydrofolate reductase 1)可以通過調(diào)控CYP82E4基因的表達(dá)水平而影響煙堿向降煙堿的轉(zhuǎn)化[29]。

        4 煙堿代謝相關(guān)調(diào)控基因

        煙堿合成受到多種因子調(diào)控,已知參與煙堿代謝調(diào)控的植物激素主要有茉莉酸、生長素及乙烯,其中生長素和乙烯是煙堿合成的負(fù)調(diào)控因子[4,30-33]。近期的煙堿代謝調(diào)控研究主要集中于茉莉酸信號途徑調(diào)控因子。茉莉酸(JA,jasmonate)是重要的植物次生代謝調(diào)節(jié)因子,煙草中大部分煙堿合成功能基因都受到茉莉素信號途徑調(diào)控[4,30,32,34-36]。

        茉莉酸受體是由COI1、負(fù)調(diào)控因子JAZ(Jasmonate ZIM-Domain)蛋白和肌醇戊基磷酸分子組成的復(fù)合體[37-38]。有茉莉酸存在時,茉莉酸衍生物JA-Ile與茉莉酸受體相結(jié)合導(dǎo)致負(fù)調(diào)控因子JAZ蛋白的泛素化降解,從而釋放下游轉(zhuǎn)錄激活因子并激活植物的茉莉酸應(yīng)答[39]。煙草的茉莉酸途徑調(diào)控因子COI1和JAZ蛋白都已被證明是煙堿合成調(diào)控因子[35]。近期研究還鑒定了一些調(diào)控?zé)焿A合成的轉(zhuǎn)錄因子,如 ERF轉(zhuǎn)錄因子家族成員JAP1、ERF32及ORC1的同源基因等[40-41],bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族成員bHLH1/2和MYC2等[42-43],這些ERF轉(zhuǎn)錄因子和bHLH轉(zhuǎn)錄因子還可以通過彼此間的相互調(diào)控影響煙堿代謝過程[44-45]。

        前期對煙堿合成基因PMT啟動子中一段由G-box,AT-rich和GCC-box-like元件構(gòu)成的茉莉酸應(yīng)答片段的研究證明這三個元件都是茉莉酸應(yīng)答的必需元件[32],已鑒定的ERF和bHLH煙堿合成調(diào)控因子可結(jié)合其中的G-box和GCC-box-like元件[41,43],但AT-rich元件的結(jié)合蛋白還未發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有研究也無法解釋PMT基因的茉莉酸應(yīng)答機(jī)理。因此,煙堿合成代謝相關(guān)調(diào)控因子基因的分離和鑒定仍是一個重要研究方向。

        5 問題與展望

        雖然煙草的煙堿代謝途徑已基本清楚,且大部分代謝步驟都有一些功能基因得到分離鑒定,但是這些功能基因在煙草中的同源基因遠(yuǎn)未得到完全發(fā)掘,特別是普通煙草為多倍體植物,每個基因都有大約5個同源基因,因此,煙堿代謝功能基因的研究還有大量工作需要開展。近來,煙堿代謝功能基因的調(diào)控機(jī)理研究已經(jīng)成為煙堿代謝調(diào)控研究的熱點(diǎn)問題,分離和鑒定煙堿代謝功能基因的調(diào)控因子將是未來一段時期的主要研究內(nèi)容。

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