5_氨基乙酰丙酸的生物合成和生理活性及其在农业中的潜在应用_汪良驹

专论与综述Review收稿 2002-04-30 修定 2002-08-26资助 日本土屋育英会,教育部留学基金。

* E -mail:wlj @5-氨基乙酰丙酸的生物合成和生理活性及其在农业中的潜在应用汪良驹1,* 姜卫兵1 章 镇1 姚泉洪2 松井弘之3 小原均3(1南京农业大学园艺学院,南京210095;2上海市农业科学院生物技术研究中心,上海市农业遗传育种重点实验室,上海201106;3日本千叶大学园艺学部,日本松户271-8510)Biosynthesis and Physiological Activities of 5-Aminolevulinic Acid (ALA)and Its Potential Application in AgricultureWAN G L iang -Ju 1,*,JIAN G We-i Bing 1,ZHA NG Zhen 1,YA O Quan -Hong 2,M AT SU I Hiro yuki 3,OHARA Hitoshi 3(1College of H orticultur e,N anj ing A gr icultur al Univer sity ,N anj ing 210095,China;2Shanghai K ey Labor atory of A gr icultur al Genetics and Br eeding,A gr i -biotechnology Resear ch Center ,Shanghai A cademy of A gr icultural Sciences,Shanghai 201106,China;3Faculty of H or ticultur e,Chiba Univer sity ,M atsudo 271-8510,J ap an )提要 文章从一种可能作为新的植物生长调节物质的角度,阐述了具有多种生理活性的5-氨基乙酰丙酸(ALA )的生物合成C 5途径与影响因子,提出AL A 生物合成最重要的是依赖于谷氨酰-tR NA 还原酶(GluT R)编码基因的表达,其次依赖于谷氨酸-1-半醛转氨酶(GSA -A M )编码基因的表达。

在农业生产中,它在低浓度时能促进作物增产,提高抗逆性,在高浓度时作为无毒、无污染的农田除草剂,有潜在的应用前景,应该引起足够重视。

关键词 5-氨基乙酰丙酸(A LA);生物合成与调控;增产;除草剂;抗逆性5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid,ALA)是所有卟啉化合物生物合成的关键前体,作为植物叶绿素合成研究的一个部分,很早就受到重视[1]。

近年来,这种五碳化合物引起人们新的兴趣,因为它除了与植物光合作用有关外,还能在高浓度下作为无污染的天然除草剂,在低浓度下大幅度地提高多种作物产量,并明显提高植物的抗冷性和耐盐性。

这对于缓解生态环境恶化,提高农业生产水平具有重要的现实意义。

另外,它还具有调节植物生长发育的功能,被看作是一种新的植物生长调节物质[2]。

1 ALA 的天然存在ALA 是一种含氧和氮的碳氢化合物,分子式为C 5O 3NH 9,分子量为131.2(图1)。

它是所有卟啉化合物的共同前体,牵涉到光合作用与呼吸作用,广泛存在于细菌、真菌、动物及植物的活细胞中。

绿色植物中,ALA 的生物合成在质体中,并在此转化成叶绿素和亚铁血红素;细菌、真菌及动物ALA 的生物合成在线粒体内膜上,也在此转化成卟啉化合物。

ALA 能否在生物体内运输目前还缺乏系统资料。

纤细裸藻(Euglena gr acilis )中,质体ALA 与线粒体ALA 分别由两条不同途径合成,不能合成质体ALA 的突变体W 14ZNalL 细胞呈白色,暗示着线粒体ALA 不能用于质体叶绿素合成[3]。

高等植物叶绿体内,能够合成原叶绿素酸酯的ALA (称为ALA P )与能够合成血红素的ALA(称为ALA H )可能分属不同的ALA 库,合成过程也由不同的机制调控[4]。

从外源供给试验看,无论是根系浸泡还是叶面喷布,都能对植株整体产生生理效应[5],因而至少有些ALA 可以在植物体内运输或者产生某种信号传递到植物的其他部位。

另外,Sangw an 和O .Brain [6]证明,大豆根系合成的ALA 不仅可以被与其共生的根瘤菌吸收,而且还能被后者用于合成豆血红蛋白。

在沙门氏菌中,ALA 是通过二肽通透酶吸收运输的[7]。

2 ALA 的生物合成2.1 ALA 生物合成途径 不同生物体ALA 分别由两条不同途径合成。

动物、酵母菌、真菌、某些藻类与细菌(如大豆根瘤菌)中,ALA 由琥珀酰-CoA 和甘氨酸经ALA 合成酶催化直接缩合而来(C 4途径);高等植物、苔藓、另一些藻类与细菌(如大肠杆菌等)中,ALA 以谷氨酸为前体,经由C 5途径合成。

有人曾推测高等植物体内可能也存在C 4途径,近年来采用C 5途径酶活抑制剂或反义mRNA 证明,植物ALA 只能通过C 5途径合成[8]。

在C 5途径的三步酶促反应(图1)中,首先,在ATP 和M g 2+存在条件下,由氨酰基-tRNA 合成酶(GluRS)催化,将谷氨酸和tRNA Gl u 连接起来,形成谷氨酰-tRNA;然后,以NADPH 为氢供体,由谷氨酰-tRNA 还原酶(GluT R)催化,将激活的谷氨酸还原成谷氨酸-1-半醛(GSA),同时释放出tRNA Glu ;最后,在谷氨酸-1-半醛-2,1-氨基转移酶(GSA -AM)的作用下,将谷氨酸C2-氨基异构成C1-氨基便生成5-氨基乙酰丙酸(ALA)[9]。

在C 5途径中,tRNA Gl u 起非常重要作用。

在AT P 和谷氨酸存在条件下,纯化的GluRS 和GluTR 可以与tRNA Gl u形成一个复合体,直到GSA 生成[10]。

因而,tRNA Glu 分子不同域(domain)能够分别识别并结合两种不同的酶[11]。

另外,植物体内存在多组GluTR 和GSA -AM 编码基因,虽然它们都属于C 5途径,但在植物体内的分布、表达、调节机制及功能均不同。

图1 高等植物体内5-氨基乙酰丙酸(ALA )生物合成途径谷氨酸和ALA 前的数字分别为两种分子的系列编号2.2 ALA 生物合成的调节 ALA 是叶绿素和亚铁血红素等卟啉化合物生物合成的关键前体,关于ALA 生物合成调节的报道已很多,本节简要介绍生理和环境因素对其合成的影响。

(1)生物节律。

叶绿素合成受生物节律控制,其关键可能在于ALA 合成受到生物节律的控制,并且可能与编码GluTR 的基因表达有关[12,13]。

(2)细胞(器)发育。

高等植物的白色体或者完全成熟叶绿体合成ALA 的活性都很弱,只有正在变绿的叶绿体才大量合成ALA 。

例如,在花叶日本卫矛(E uonym us j ap onicus )叶片变绿过程中,同一叶片的最早变色部分完全变绿而另一部分仍为白的,绿色部分的ALA 合成活性比白色部分高2倍,且GSA -AM 活性也很高[14]。

大豆根系中检测不出ALA 合成活性,只有受到根瘤菌侵染开始形成根瘤后才有编码GSA -AM 基因的迅速表达[15]。

表明合成叶绿素和亚铁血红素所需要的ALA 的生物合成都与细胞(器)发育有关。

(3)光和光敏素调节。

叶绿素合成涉及许多酶,但是只有GluTR 、GSA -AM 和原叶绿素酸酯氧化还原酶受到光的调节[11]。

白化苗不能合成叶绿素的原因之一是因为黑暗中不能合成ALA 。

外源供给的ALA 能够在黑暗中转化成原叶绿素酸酯,表明从ALA 到原叶绿素酸酯不需要光的参与。

将白化苗转移至光下,其暗中积累的原叶绿素酸酯迅速转化成叶绿素,但叶绿素积累之前有一个滞后期。

以外源ALA 处理或者先用闪光灯照射黑暗中生长的植株数小时后再持续照光,都能消除叶绿素积累滞后期,说明滞后期实质上为光诱导ALA 合成时期[1]。

在10L E #m $2#s $1光照度范围内,白化苗合成ALA 活性随光照度增加而增加。

在黄瓜幼苗中,光照可大幅度提高谷氨酸、AT P 、NADPH 含量和GluTR 活性[16]。

光处理的纤细裸藻中tRNA Gl u 水平提高2倍,GSA -AM 活性提高12~46倍,GluTR 活性提高4倍左右,ALA 合成活性提高20~55倍[3,17]。

红光能诱导黄瓜白化苗合成ALA,远红光则完全消除红光的促进效应,表明光敏素可能参与光对高等植物ALA 生物合成的调节[4,18]。

在纤细裸藻中,红光/绿光和绿光两个光调节系统可能参与光对ALA 合成的调节[17]。

需要指出的是,光和光敏素对ALA 生物合成的调节作用主要在植物变绿早期,并且需要细胞质中合成新的蛋白质,这暗示ALA p 库代谢(大约占ALA 库总量的2/3)依赖于光和光敏素。

植物变绿后,ALA H 库代谢主要受代谢产物的反馈控制[4]。

(4)代谢产物的反馈调节。

用ALA脱氢酶抑制剂乙酰丙酸(levulinic acid,LA)阻断ALA代谢而会导致ALA过量积累,表明ALA代谢产物可反馈抑制ALA生物合成。

原叶绿素酸酯是否抑制ALA 合成尚存在争议,但已证实血红素可反馈调节ALA的生物合成[19,20]。

在黄瓜[16]或微生物[21]中是作用于GluTR活性,在莱茵衣藻(Chlamy-domonas reinhardtii)中则是作用于该酶编码基因的转录[21]。

(5)温度效应。

低温下ALA合成受阻是植物叶片黄化的重要原因[23,24],若先在适温下用闪光或者外源ALA处理白化苗,则低温下原叶绿素酸酯合成明显受到促进[25\<。

但是,低温不影响玉米幼苗血红素含量,这暗示只有ALA p合成对低温处理敏感。

另一方面,高温也抑制ALA合成,42e条件下黄瓜幼苗中ALA的合成能力只有25e下的30%[26]。

(6)外源激素的效应。

用细胞分裂素替代光照预处理可以消除黄瓜中叶绿素积累滞后期。

无论是在暗中还是光下,BA处理的黄瓜子叶中合成ALA的速率均比未经BA处理的高1倍。

最近研究表明,施用外源细胞分裂素能提高内源tRNA Glu 水平,促进GluTR编码基因转录[13],提高GluTR 活性[27]。

其它植物激素对ALA合成的影响还未见报道。

2.3ALA生物合成的分子生物学基础如前所述,C5途径需要tRNA Glu和3个酶的参与,其中tRNA Glu由质体基因编码,3个酶由核基因编码,并在胞质内合成后运入叶绿体,因而这3种酶蛋白前体都含有一段多肽作为运输识别信号。

多数植物中,叶绿体tNRA Glu水平、GluTR及GSA-AM活性是ALA生物合成的限制因子,但是大麦虎斑纹突变体tigrina-d12过量合成ALA似乎与几种酶的活性或叶绿体tNRA Glu水平都没有关系,暗示ALA合成可能还有更复杂的调节机制[28]。