植物生氰糖苷研究进展

2009年第 4期
张岩等: 植物生氰糖苷研究进展
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图 1 生氰糖苷基 本结构
图 2 亚麻籽生氰糖苷结构
于 CYP79、CYP71家族的两种细胞色素 CYP450(也称 P450)及葡萄糖转移酶 UGT85B1。 CYP450是一类以 还原态与 CO结合后在波长 450 nm 处有吸收峰的含 血红素的单链蛋白质 [ 14] 。CYP450 基因是一类古老 的基因超家族, 根据 CYP450氨基酸序列的相似性分 类命名为家族 ( CYP1, 2 , ), 亚家族 (A, B , ), 单个 基因 (A1, 2 , ), 所编码的氨基酸序列同源性分别为 大于 40% 、55% 和 97% [ 15] 。在模式植物高粱中, 生氰 糖苷的合成途径如图 3所示: 在 CYP79A1的催化下, L2酪氨酸 ( L2Tyrosine)的氮端被羟基化, 经脱水和脱 羧化反应生成相应的乙醛肟, 即对羟基苯乙醛肟 ( p2 hydroxyphenylaceta ldoxime); 在 CYP71E1 的催 化 下, 对羟基苯乙醛肟经脱水反应及碳端羟基化后转变为 醇腈, 即对羟基 苯乙醇腈 ( p2hydroxymandelon itrile ), 随后经过糖苷转移酶 UGT85B1糖基化为蜀黍苷 [ 16] 。
脉根苷 ( lotaustralin) [ 6] 等。在亚麻籽的壳和仁中, 生 氰糖苷主要有二糖苷 ( b ioside)和单糖苷 (monoglyco2 side) [ 7] 。二糖苷为 B2龙胆二糖丙酮氰醇 ( linustatin, LN )和 B2龙胆二糖甲乙酮氰醇 ( neolinustatin, NN ); 单糖苷为亚麻苦苷和百脉根苷。 Sm ith等 [ 8] 人用核磁 共振分析得出各组分的分子结构 (图 2), LN 的熔点 为 123~ 12515e , NN的熔点为 190~ 192e , 亚麻苦苷 熔点为 139~ 141e 。
生氰糖苷本身不呈现毒性。当生氰植物被动物 采食、咀嚼或被病原体侵染后, 受损的组织细胞内的 生氰糖苷与 B2葡萄糖苷酶和 A2羟腈酶接触而被降 解, 释放出有毒的氰化氢 (H CN )以及葡萄糖和醛或 酮, 从而阻止食草动物和病原体的进一步伤害, 即产 生了化学防御反应 (图 4)。
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生物技术通报 B iotechnology Bu lletin
# 综述与专论#
生物技术通报
BIOTE CHNOLOG Y BULLET IN
2009年第 4期
植物生氰糖苷研究进展
张岩 汤定钦 周明兵
(浙江林学院浙江省现代森林培育技术重点实验室, 临安 311300)
摘 要: 生氰糖苷在植物中具有化学防御功 能, 在 抗病虫 害方面 有重要 作用。同时 由于在 木薯、杏仁和 亚麻籽 等食用 植物中广泛存在, 长期食用会危害人体健康。因此, 对植物生氰糖苷的研究有 重要意义。对 植物生氰 糖苷的结构、生物 合成、 毒性机理及在抗病虫 害方面的应用、转基因研究等进行了综述, 并且对其在竹亚科植物中的应用做了展望。
Abs tra c:t Cyanogentic glycosides tha tw ide ly exist in ed ible plan ts such as cassava, a lm ond and flaxseed, play an im portant role in pest resistance in plants1 A lso, it cou ld be dangerous to hea lth for eating a grea t deal1 Th is paper reviewed resea rch progress of chem ica l structure, biosynthesis, toxic m echan ism and application of cyanogetic glycosides in pest resistance, and transgenic study 1Fu ture prospect of its app lication in bam boo subfam ily was a lso discussed1
ferase) , [ 19] 在 生氰 糖苷 合 成过 程中, UGT85B1 能 把 有毒的对羟基苯乙醇腈迅
速糖基化, 防止其分解成氰 化氢和对 羟基 苯甲醛 ( p2 hydroxybenzaldehyde) [ 20] 。
不同植物中, 催化生氰 糖苷生物合成的酶是不同 的, 但都是由 CYP79同源基 因 编 码, 并 与 高 粱 上 的 CYP79A1具有功能上的相似 性。如在木薯中, 催化生氰 糖苷 合 成 第 一 步 的 酶 是 CYP79D1和 CYP79D2[21], 在 图 3 蜀黍苷的合成途径 日本百脉根中则是 CYP79D3 和 CYP79D4, 两种酶在同一植物中有相同的催化参数 并进行共表达[ 11]。海韭菜中的 CYP79E1和 CYP79E2 生成两种生氰糖苷 ) ) ) 红豆杉氰苷 ( taxiphyllin)和海 韭菜基因转入其它植物后, 转基因植物可通过生氰糖苷的合成途径, 积累生氰 糖苷, 达到阻止昆虫危害的目的。如将高粱中催化 生成生氰糖苷的 3种酶基因转入拟南芥, 结果检测 发现拟南芥生成了蜀黍苷类物质, 专食十字花科植 物的跳蚤甲虫对含有黍蜀苷的拟南芥避而远之 [ 37] 。 另有研究将高粱的 3个基因转入葡萄后, 以葡萄根 为食的昆虫根瘤蚜不再吃转基因葡萄根 [ 33] 。显示 了基因 工 程在 农作 物 抗病 虫 害改 良 方 面的 巨 大 潜力。
生氰糖苷合成过程中涉及了 3大类酶, 分别属
收稿日期: 2008209212 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 30371181) 作者简介: 张岩 ( 19832), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为林木生物技术; E2m ai:l zhangyan8314@ 1261 com 通讯作者: 汤定钦, E2m ai:l tang@ zjfc1 edu1 cn
2009年第 4期
图 4 生氰糖苷代 谢过程
生氰糖苷在阻止食草动物上效果不同, 与植物 的形态学、生理学, 生氰糖苷的浓度及动物的行为有 关 [ 24] 。例如, 将李属的几种植物的叶子喂养日本金 龟子, 结果发现叶子中生氰糖苷浓度和虫子摄食强 度之间 存 在负 相 关 [ 25, 26] 。另 有 报道 表 明, 牛 [ 27 ] 、 羊 [ 28] 和其它食草的哺乳动物 [ 29 ] 在食用生氰植物后 可导致死亡或严重的疾病, 许多昆虫和软体动物也 会避开吃生氰植物 [ 30, 31 ] 。生氰糖苷并不总能有效 地阻止所有的草食动物, 也不是所有的生氰植物都 能释放出足够的氰化物导致毒性。然而, 当草食动 物吃生氰植物时必须要有适应过程 [ 24 ] 。
皮部细胞周围的组织, 在维管束之间维管组织的软 组织细胞区域, 特别是在原生木质部和次生木质部 之间的细 胞, CYP79D1和 CYP 79D2 具有较高 的表 达。 CYP79D1和 CYP79D2在表皮和皮层细胞及叶 肉细胞周围表达, 表现出生氰糖苷作为生化杀虫剂 的功能 [ 13] 。
3 生氰糖苷的毒性机理及在抗病虫害方面 的应用
4 转基因方面的研究
将高粱中编码 CYP79A1、CYP71E1和 UGT85B1 的基因转入拟南芥, 转基因拟南芥形成了生氰糖苷 合成途径, 可生成积累达 4% 干重的酪氨酸衍生的 生氰糖苷黍蜀苷。当只转录 CYP79A1和 CYP71E1 可导致植株矮小, 且积累许多生物合成中间体的新 糖苷, 并会丢失十字花科本身独特的紫外保护剂芥 子酰基葡萄糖 ( sinapoyl glucose)和芥子酰基苹果酸 ( sinapoyl ma late), 表明 生氰 糖苷正 常表达 还需要 UGT85B1的表达 [ 32] 。而只转入 CYP79A 1, 则会出 现与下游硫代葡萄糖苷合成酶高效 相互作用的过 程, 即积累大量 的对 2羟苯基硫代葡 萄糖苷 [ 33] 。将 高粱的上述 3种基因转入葡萄, 转基因葡萄同样表 达生氰糖苷生物合成途径 [ 34 ] 。
木薯 CYP79D2对缬氨酸和异亮氨酸有相同的 催化效率, 可生成比例大约为 1B1的亚麻苦苷和百 脉根苷 [ 35] 。日本百脉根 CYP79D3对异亮氨酸的催 化效率比缬氨酸高 6 倍 [ 12] 。将木薯中的 CYP79D2
转入日本百脉根, 转基因日本百脉根催化了更多的 缬氨酸, 积累更多的亚麻苦苷, 从而接近木薯中的亚 麻苦苷和百脉根苷比例 [ 12] 。木薯 CYP79D2异源表 达也可用来改变拟南芥的硫代葡萄糖苷状况 [ 36] 。
2 生氰糖苷的生物合成
1960年 Akazawa等 [ 9 ]在高粱中发现了生氰糖苷 生物合成途径, 随后在海韭菜 [ 10] 、木薯[ 11 ] 、日本百脉 根 [ 12] 等植物中也发现了此合成途径。 Bak等 [ 13] 又在 白花菜目中发现了硫代葡萄糖苷 ( glucosinolate)途径 和烯氰糖苷 ( cyanoa lkenyl glucoside)途径, 硫代葡萄 糖苷和烯氰 糖苷 是生 氰糖 苷的 重要衍 生物, 功能 相似。
关键词: 生氰糖苷 生物合成 抗病虫害 转基因
R esear ch P rogr ess of Cyanogen tic G lycosides in P lant
Zhang Yan Tang D ingq in Zhou M ingb ing
(Zhejiang P rovincia lK ey Lab forM odern Silvicultural Technology, Zhejiang F orestry University, Lina' n 311300 )
物会形成生氰糖苷生物合成途径。
1 生氰糖苷的结构
生氰糖苷拥有基本的结构 (图 1), 存在多种结构
表型。在许多蔷薇科植物的种子里首先分离出了苦 杏 仁 苷 ( amygdalin ) [ 4] , 在 高 粱 中 分 离 了 蜀 黍 苷 ( dhurrin) [5], 亚麻中分离了亚麻苦苷 ( linamarin)和百