油菜素内酯生物合成途径的研究进展(植物学报)2015

植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2015, 50 (6): 768–778,

doi: 10.11983/CBB14168 ——————————————————

收稿日期: 2014-09-11; 接受日期: 2015-03-20

基金项目: 国家自然科学基金面上项目(No.31270324)、教育部科学技术研究重大项目(No.313034)、中央高校创新团体项目(No.GK20110- 1005)、博士后基金面上项目(No.2012M521740)、国家自然科学基金青年项目(No.31300193)和博士点基金(No.20130202110007) * 通讯作者。E-mail: gwu3@

油菜素内酯生物合成途径的研究进展

任鸿雁, 王莉, 马青秀, 吴光*

陕西师范大学生命科学学院, 西安 710069

摘要 油菜素内酯(BRs)在植物的生长发育过程中具有重要作用。该文首先综述了油菜素甾醇的结构及其生物合成途径的研究方法。之后, 介绍了其化学及生物活性的检测方法。最后, 详细介绍了BR 生物合成的早期和晚期C-6氧化途径及早期C-22和C-23羟化与合成途径的调控, 并阐述了近年来植物油菜素内酯生物合成缺失突变体及其合成酶等方面的研究进 展。

关键词 油菜素内酯, 生物活性, 生物合成, 植物生长发育

任鸿雁, 王莉, 马青秀, 吴光 (2015). 油菜素内酯生物合成途径的研究进展. 植物学报 50, 768–778.

油菜素内酯(brassinosteroids, BRs)是一种重要的植物甾醇类激素。它是在1970年由美国农业科学家Mitchell 等尝试从油菜花粉中筛选和分离具有高生理活性的物质时首先发现的。Grovoe 等(1979)确定了其化学结构属于甾醇内酯。至今已分离出70多种与BL 类似的化合物, 统称为油菜素甾醇类化合物(brassino- steroids, BRs)。它们参与植物细胞的伸长与分裂、维管束分化、花粉发育和育性、植株衰老以及植物抗逆反应等一系列重要的生长发育过程(Clouse et al., 1996; Clouse and Sasse, 1998)。阐明BR 的合成及代谢机制对认识其在植物体内的作用具有重要意义。

随着分析技术的进步以及多种突变体的发现, BR 合成途径的研究越来越清晰, 我国学者在不同时期从不同方面综述了BR 的研究进展。例如, 储昭庆等(2006)总结了油菜素内酯在植物各组织内的分布、生物合成、相关合成突变体及其编码基因的性质、生理功能以及与其它激素间的相互作用等; 曹云英等(2006)综述了BR 在植物组织培养上的作用及其应用效果; 王凤茹和王志勇(2008)进一步对BR 信号转导过程中各组分及合成途径做了详细阐述; Zhao 和Li (2012)对BR 合成途径及其调控的关键酶类进行了解析。本文拟从油菜素内酯的结构着手, 全面介绍BR 合成途径在近年来的研究进展, 并提出未来关于油菜素内酯可能的研究方向。

1 油菜素甾醇的结构

在所有已知的天然BRs 中, 油菜素甾酮(castaster- one, CS)的分布最为广泛, 其次是BL 、香蒲甾醇(typ- hasterol, TY)和茶甾酮(teasterone, TE)等(Fujioka and Sakurai, 1997)。BL 的化学名称为2α, 3α, 22α, 23α-4羟基-24α-甲基-7-氧-5α-胆甾烷-6酮, 其基本结构如图1所示。有研究表明, BRs 的活性与其结构密切相关, 高生物活性的BRs 具有以下几方面结构特征(Back and Pharis, 2003): (1) 两对邻羟基(2α, 3α及22R, 23R)。Galagovsky 等(2001)的研究发现, 2α, 3α缺失任何一个羟基或将其组成结构改变, 如将2α, 3α位的羟基变为3α、4α, 均会降低其生物活性。22R, 23R 的羟基位于22α, 23α位时, 其生物活性高于羟基位于22β, 23β位(Thompson et al., 1979; Thompson et al., 1981; Thompson et al., 1982); (2) B 环的6-酮-7-氧内酯。内源油菜素内酯最具活性的形式为B 环具有6-酮-7-氧内酯的化合物, 其次是具有6-羰基的化合物, 而6-脱氧形式的油菜甾醇被认为不具生物活性。将BL 中B 环的内酯键改为6位的酮键(CS)会使其活性降低50%。将24-表油菜甾醇的C-7/C-8位转化为双键, 其生物活性会降低10%。将油菜素内酯B 环的6-酮- 7-氧内酯转化为6-氧-7-酮, 其生物活性也明显降低

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图1 油菜素甾醇类化合物(BRs)的结构

Figure 1 Structures of the brassinosteroids (BRs)

(Thompson et al., 1982; Back and Pharis, 2003); (3) S构型的C-24, 如油菜素内酯的生物活性大于24-表油菜素内酯; (4) A/B环为反式稠合; (5) 延长BRs的侧链也可增加其生物活性, 如在C-24位增加1个甲基或者乙基(Kvasnica et al., 2014)。

2 BR合成途径的研究方法及进展

2.1 BR合成途径的验证

早期主要通过对多种植物及细胞培养系统外源施加标记的中间产物, 及化学检测分析代谢产物来证明BR合成途径。例如, 一些研究者利用长春花(Catha- ranthus roseus)细胞培养系统, 外源施加氘标记的BL前体芸苔甾醇(campesterol, CR)后, 使用GC-MS 方法, 分析标记物的成分及含量(Ashburner et al., 2000)。通过此方法证实了BR生物合成途径中鲨烯(squalene-2,3-oxide)最终转化成BL的许多反应步骤, 如早期的C-6氧化前和氧化后途径。

BR合成突变体的筛选对研究BR生物合成途径及其对生长发育的调控机制具有重要意义。近年来研究