植物多酚氧化酶研究综述

多酚氧化酶（ＰＰＯ）是动物、植物、真菌体内普遍存在的一类铜结合酶。

早在１８８３年Ｙｏｇｈｉｄ就发现日本漆树树汁变硬可能与某种活性物质有关。

１８９４年Ｂｅｔｒａｎｄ首次研究了这种物质，发现它是一种酶蛋白。

１９３７年Ｋｕｂｏｗｉｔｚ在Ｗａｒｂｕｒｇ实验室中第１次分离出多酚氧化酶［１，２］。

随着研究的不断深入，对多酚氧化酶各方面都有了更深一步的认识。

笔者就多酚氧化酶的生理作用、功能、定位分布做简要介绍。

１多酚氧化酶的分布和定位多酚氧化酶广泛存在于植物体的各种器官或组织中，如花器官、分生组织、叶片、块茎、根中，一般在幼嫩部位含量高，而成熟部位较少［２］。

番茄的茎杆的韧皮部、叶片的表皮细胞、花蕾的分生组织、种子和果实中均有积累，在靠近顶端幼叶的ＰＰＯ主要积累在表皮细胞和毛状体中，成熟叶片中的ＰＰＯ主要积累在分化的叶肉、韧皮部、毛状体中［３］。

马铃薯芽、根的多酚氧化酶的活性最高，幼叶和成熟块茎中活性中等，成熟叶和茎叶活性最低［４］。

烟叶在苗期时ＰＰＯ的活性较高，叶片进入旺盛生长期后ＰＰＯ逐渐升高，在叶片定长时ＰＰＯ达最大，进入成熟期后ＰＰＯ活性开始下降，并且同一生育期烟叶ＰＰＯ活性比较上部叶＞中部叶＞下部叶［５］。

Ｋｒｕｇｅｒ等研究了小麦籽粒发育和成熟过程中ＰＰＯ活性变化，指出在籽粒早期就有ＰＰＯ存在，未成熟籽粒的ＰＰＯ主要存在于胚乳中，随籽粒的发育成熟，籽粒中的双酚氧化酶活性很高，在成熟后降至很低［６，７］。

Ｔｈｙｇｅｓｅｎ等［８］报道，马铃薯匍匐茎、块茎、根和花中ＰＰＯ活性高，而叶和茎中的低，在块茎发育过程中块茎的ＰＰＯ活性不断升高。

基因水平同样证明，植物多酚氧化酶研究综述代丽１，宫长荣１，史霖１，陈付军１，巩培智２（１河南农业大学农学院，河南郑州４５０００２；２湖北襄樊市烟草公司，湖北襄樊４４１００３）摘要：多酚氧化酶（ＰｏｌｙｐｈｅｎｏｌＯｘｉｄａｓｅ简称ＰＰＯ）是一类广泛分布于植物体中的一种铜结合酶。

它是由核基因编码、多基因控制，在细胞质中合成，通过一定的方式转运至质体内而成为具酶活性的形式，对农产品品质形成有重要影响。

介绍了多酚氧化酶在植物体内的存在和定位、分子结构、生理功能及调控措施等方面近年来的研究成果。

关键词：多酚氧化酶；分子结构；功能；调控措施中国分类号：Ｑ９４５文献标识码：ＡＰｏｌｙｐｈｅｎｏｌＯｘｉｄａｓｅｉｎＰｌａｎｔｓＤａｉＬｉ１，ＧｏｎｇＣｈａｎｇｒｏｎｇ１，ＳｈｉＬｉｎ１，ＣｈｅｎＦｕｊｕｎ１，ＧｏｎｇＰｅｉｚｈｉ２（１ＡｇｒｏｎｏｍｙＣｏｌｌｅｇｅｏｆＨｅｎａｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００２；２ＸｉａｎｇｆａｎＴｏｂａｃｃｏＣｏｍｐａｎｙｏｆＨｕｂｅｉ，ｘｉａｎｇｆａｎ４４１００３）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｌｙｐｈｅｎｏｌｏｘｉｄａｓｅ（ＰＰＯ）ｉｓａｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓｃｏｐｐｅｒｍｅｔａｌｌｏｐｒｏｔｅｉｎｉｎｍａｎｙｐｌａｎｔｓ，ＰＰＯｉｓｅｎｃｏｄｅｄｂｙｍｕｌｔｉｐｌｅｎｕｃｌｅｉｃｇｅｎｅｓ，ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｉｎｃｙｔｏｐｌａｓｍ，ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄｉｎｔｏｐｌａｓｔｉｄｓｉｎｓｏｍｅｆｏｒｍｓ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｙｂｅｃｏｍｅｏｆｅｎｚｙｍｅａｃｔｉｖｉｔｙ．Ｉｔｉｓｂｅｌｉｅｖｅｄｔｏｂｅｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｆａｃｔｏｒｆｏｒｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｍａｎｙｃｒｏｐｓ．Ｉｎｔｈｉｓａｒｔｉ－ｃｌｅ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｄｖａｎｃｅｓｏｎｅｘｉｓｔｅｎｃｅ，ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎａｎｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｏｆＰｏｌｙｐｈｅｎｏｌＯｘｉｄａｓｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｏｌｙｐｈｅｎｏｌｏｘｉｄａｓｅ，Ｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ；Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ基金项目：国家烟草专卖局科技攻关项目（１１０２００３０２００７）。

第一作者简介：代丽，１９８２年出生，女，山西长治人，硕士，主要从事烟草调制生理方面的研究。

通信地址：４５０００２河南农业大学２２６５信箱。

Ｅ－ｍａｉｌ：１００９ｈｏｔ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ。

通讯作者：宫长荣，男，１９４８年出生，河南荥阳人，河南农业大学教授，主要从事烟草教学和科研工作。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｏｎｇｃｈｒ００９＠１２６．ｃｏｎ。

收稿日期：２００７－０１－３１，修回日期：２００７－０３－０９。

ＰＰＯＢ、ＰＰＯＥ／Ｆ在番茄中许多器官中有丰富的转录产物，尤其在幼叶和花中有着最活跃的ＰＰＯ的转录，ＰＰＯＢ在番茄幼叶中具有最丰富的ＰＰＯｍＲＮＡ，ＰＰＯＥ／Ｆ在根的顶端分生组织和花序中表达水平相当高，它们的转录水平随着叶的成熟而下降［３］。

小麦籽粒萌发时，ＰＰＯ基因强烈表达，特别是在胚芽鞘和胚根中，活性增长了几倍到几十倍［６］。

其他植物如马铃薯叶片中ＰＰＯｍＲＮＡ含量不同，只有在幼嫩叶片中能测到［９］。

葡萄幼嫩的正在成长的浆果、叶片、根中有高水平的ＰＰＯ基因表达，而在成熟组织中却很少［１０］。

亚细胞水平上的定位问题，从多酚氧化酶发现以来，一直争论不休，目前还未有统一的说法。

在２０世纪４０年代，有研究者认为ＰＰＯ是存在于叶绿体中，随后不断有人提出新的看法，如ＰＰＯ是与线粒体、白色体相结合的［１］；ＰＰＯ存在于过氧化体中，与苹果酸脱氢酶和过氧化氢酶并存［１１］。

随着检测手段的提高，在前人基础上有了更深一步的认识。

细胞化学与免疫细胞化学研究指出了多酚氧化酶是严格的质体酶，Ｔｅｎｔｏｘｉｎ是一种专一影响质体从而导致黄化病的环状四肽毒素，生长在含Ｔｅｎｔｏｘｉｎ溶液中的敏感植株的所有质体均完全缺乏多酚氧化酶活性［１２］。

在光合组织中质体为叶绿体，ＰＰＯ位于质体类囊体中；在非光合组织中，质体ＰＰＯ位于各种囊泡中。

但是有质体的组织也可能没有多酚氧化酶，例如在Ｃ４植物叶中，只在叶肉组织中探测到多酚氧化酶活性，维管束鞘细胞尽管含有丰富叶绿体，却检测不到多酚氧化酶活性。

目前对ＰＰＯ是连接在类囊体膜上还是存在于类囊体腔中，还存有争议。

有些报道认为ＰＰＯ位于腔中，如马铃薯毛状体的Ｍｒ为５９０００的ＰＰＯ［１３］，番茄ＰＰＯＥ基因产物［１４］，蚕豆ＰＰＯ。

与此相反，Ｓｏｄｅｒｈａｌｌ和Ｓｏｄｅｒｈａｌｌ［１５］认为，萝卜的ＰＰＯ最初合成时无活性，是可溶性（不与膜相连）的ＰＰＯ前体，在进行分级分离时才与膜结合，从而造成与膜结合的假象。

２多酚氧化酶的分子结构２．１ＰＰＯ的基因特性ＰＰＯ是由核基因编码，多个基因控制，表现出多基因的家族性。

在番茄中有７个编码ＰＰＯ的核基因（ＰＰＯＡ、Ａ′、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ）［１４］；在马铃薯中，编码ＰＰＯ的核基因至少有６个，分别为ＰＯＴ３２、ＰＯＴ３３、ＰＯＴ４１、ＰＴ７２、ＮＯＲ３３３、Ｐ１、Ｐ２；蚕豆、苹果中至少有四个基因编码ＰＰＯ；对小麦的ＰＰＯ进行ＱＴＬｓ定位分析表明，小麦的ＰＰＯ至少由３个不同的基因编码，控制ＰＰＯ活性的主效基因位于２Ｄ染色体上，２Ａ、２Ｂ、３Ｂ、３Ｄ和６Ｂ染色体上有一些微效基因［１６］等等。

有一例外是，从葡萄中提取纯化多酚氧化酶得到分子量为４０ＫＤ的单一蛋白，且ｓｏｕｔｈｅｒｎａｎａｌｙｓｉｓ表明葡萄ＰＰＯ是由一个基因编码的［１０］。

２．２分子结构特点２．２．１具有导肽进入叶绿体的蛋白是要通过翻译后加工，初始合成的前体要比成熟的蛋白长，导肽是负责细胞器外膜的初始识别，对细胞器蛋白的定位有重要意义。

现有研究也证明ＰＰＯ分子由无活性转变为有活性的过程中需要经历肽链加工。

如杏果实ＰＰＯ的前体Ｍｒ为６７．１ＫＤ，成熟ＰＰＯ的Ｍｒ为５６．２ＫＤ［１７］；葡萄浆果ＰＰＯ前体的Ｍｒ为６７ＫＤ，其中包括了Ｍｒ为１０．６ＫＤ的叶绿体导肽，成熟ＰＰＯ的Ｍｒ为４０ＫＤ［１０］；番茄中ＰＰＯｓ前体的Ｍｒ约为６６￣７１ＫＤ，成熟的ＰＰＯＭｒ为５７￣６２ＫＤ［１８］；Ｈｉｎｄ等［１９］报道了菠菜叶中ＰＰＯ的前体Ｍｒ为６４ＫＤ，成熟ＰＰＯ的Ｍｒ为４２．５ＫＤ，且对蛋白质测序后发现ＰＰＯ的Ｎ－末端有２３个氨基酸，其中前１５个与ＬＨＣ２Ⅱ的蛋白激酶相同，而成熟ＰＰＯ蛋白却缺少规范的蛋白激酶序列，对蚕豆［２０］的研究也发现了此现象。

２．２．２具有保守序列对植物ＰＰＯ基因的研究过程中无一例外的发现：所研究的植物均含有保守序列－编码铜结合部位的功能区域。

Ｓｈａｈａｒ［２１］等在比较了铜结合区域后，指出了这段区域的寡核苷酸的排序及氨基酸的序列。

氨基酸序列的比较发现，ＰＰＯ序列在铜结合位点附近比较一致，尤其是可能直接与铜离子结合的组氨酸，不同植物之间完全一致［２２］。

大部分学者认为：ＰＰＯ基因序列中含有２个铜结合位点，每个Ｃｕ与３个Ｈｉｓ残基以配位键相连，形成有特定三维结构（ｔｙｐｅ３ｃｏｐｐｅｒｓｂｒｉｄｇｅｄ）的活性部位［２３］。

但也有人认为还存在第三个铜结合区，它富含Ｈｉｓ，作用是与分子氧结合［９，２４］。

ＰＰＯ在进化过程中变异性很小，植物之间基因序列差异不大，研究的十几种植物，有菠菜、梨、桃、蚕豆、胡萝卜、马铃薯、番茄、葡萄和苹果，发现它们的ＰＰＯ具有高度的相似性（４５％￣９５％），甚至发现种间的相似性要大于种内的相似性［２５］。

２．２．３不存在内含子长期以来对植物ＰＰＯ基因的研究，认为ＰＰＯ基因是无内含子的，如马铃薯［９］、葡萄［１０］、杏［１７］、番茄［２１］等，然而Ｐａｕｌ［２６］等在研究香蕉时，在香蕉果肉中找到一个含８５ｂｐ内含子的ＰＰＯ基因，其内含子富含ＡＴ（８５％），并有保守的５＇供体（ｄｏｎｏｒ）和３＇受体（ａｃｃｅｐｔｏｒ）的剪切位点，符合内含子５′ＧＴ．．．ＡＧ３＇原则。

３生理功能多酚氧化酶是一种末端氧化酶，参与生物氧化。

在ＰＰＯ的作用下，底物脱氢后氢与氧结合生成水，但不产生能量ＡＴＰ，目前对ＰＰＯ生理意义还不清楚。

可能参与了叶绿体内的能量转移，与氧结合调节胞质中的氧化还原水平，以调节叶绿体中有害的光氧化反应速度。

在对多酚氧化酶深入的过程中，研究者们发现多酚氧化酶在植物抗病虫、对嫁接植物的生根扦插、果蔬加工褐变、茶叶、烟叶的香味物质形成等这些方面起作用。

３．１ＰＰＯ对植物抗病性影响植物在抵御外界病原菌伤害时，首先是天然形态结构的屏障，包括了细胞壁的角质、蜡质、木质素等，其次植物通过组织结构局部坏死，在侵染部位形成枯斑，病原菌得不到营养而死亡；植物体内本身也含有一些物质对病菌有抑制作用。

Ｓｔｅｆｆｅｎｓ．ＪＣ［２７］为证明ＰＰＯｓ在植物中的抗病性，将马铃薯ＰＰＯｓ基因转移到番茄植株中，对该植株接种ＰｓｅｕｄｏｍｏｎａｓＳｙｒｉｎｇａｅｐｖｔｏｍａｔｏ的病原菌，试验发现：与对照相比，转化株的抗病性显著增加。