植物草酸代谢及调控研究进展

田 华 王 兰 段美洋 黎国喜

摘要很多植物中都含有草酸,其代谢、运输、分泌的机理,具有重要的理论和实际意义。综述了植物草酸代谢及调控机理的研究近况,并对其研究前景作出了展望。

关键词草酸;代谢;调控

中图分类号Q946.81+5文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)08-0212-02

草酸是一种最简单的二元羧酸,普遍存在于动植物体和微生物中,大多数植物中草酸含量可以达到干重的6%~10%。在早期的研究中,一般认为草酸是植物的一种代谢终产物,没有明显的生理作用。但越来越多的研究资料表明,草酸不仅具有一定的生理功能,而且在植物适应生物和非生物胁迫中具有重要意义[1,2]。草酸可能在调节细胞Ca2+浓度、促进硝酸还原、诱导植物抗病性、螯溶土壤中难溶性磷和抗铝毒过程中起重要作用[3]。草酸具有螯溶难溶性磷的功能,因为草酸根阴离子能与铁、铝、钙离子等固磷基质形成稳定的螯合物而使土壤中根际难溶性磷从铝-磷、铁-磷和钙-磷及其他固磷基质中释放出来而提高其有效磷含量[4,5]。最近的研究结果显示,草酸还可能在植物的铁营养效率中起重要作用。草酸诱导甜瓜对南瓜花叶病毒的系统抗性[6]。草酸可影响向日葵中的抗氧化系统[7]。草酸对多酚氧化酶具有抑制作用[8]。抗坏血酸对2,3-DPG的影响是由于草酸而引起的[9]。在热胁迫处理前3d用草酸溶液喷洒叶片,结果表明:草酸预处理能减轻热胁迫对细胞膜的伤害[10]。同时草酸也会改变内皮细胞中细胞内的钙浓度[11]。草酸在生物中存在的普遍性,及其在植物抗逆过程的多种生理功能,都说明研究草酸代谢及其调控机理具有重要的理论和实际意义。现对植物体内的草酸代谢途径及其与其他代谢的关系进行综述,并对该领域的研究前景作出展望。

1草酸的合成代谢

草酸可以在一些植物体内大量积累,一般认为草酸主要在植物叶片中合成[12,13],但是其合成途径尚未有定论。根据同位素示踪定位的结果,合成草酸的可能前体物质有:乙醛酸、乙醇酸、抗坏血酸、草酰乙酸、异柠檬酸[14-18],其合成可能与以下3种途径有关。

1.1光呼吸乙醇酸途径

一些学者早期的研究表明,植物中的草酸含量与光合作用关系密切。Seal和Sen[19]证明棱角酢浆草中草酸浓度在光合高峰期增加,而在傍晚和夜间明显下降。在光呼吸途径阐明之后,证明草酸可能通过光呼吸途径产生,即RuBP催化加氧而生成磷酸乙醇酸,进入光呼吸途径而形成乙醛酸,乙醛酸再被氧化生成草酸[20]。Chang和Beevers[21]用C14-乙醇酸和C14-乙醛酸喂饲叶圆片,随后检测到带有C14标记的草酸,表明乙醇酸和乙醛酸是草酸形成的有效前体。Fujii等[22]认为草酸合成与光呼吸直接相关,但也有相反报道,即一些植物的光呼吸强度和草酸形成并不呈同方向变化[23]。光呼吸途径产生乙醇酸,乙醇酸在乙醇酸氧化酶的作用下生成乙醛酸。此外,乙醛酸还可以来自异柠檬酸的裂解[24]。通过同位素示踪也证明,C14-异柠檬酸标记可以进入草酸,由此认为异柠檬酸也是草酸形成的可能前体之一。乙醇酸氧化酶(GO)是植物光呼吸途径中的一个关键酶,它不但能催化乙醇酸氧化形成乙醛酸,也能催化乙醛酸氧化形成草酸。研究表明GO分布在细胞的过氧化物体内,是植物光呼吸的关键酶,可能影响植物光呼吸强弱及草酸的合成[25]。但体外酶活性测定结果却表明,植物光呼吸强弱和GO活性似乎并不是植物中草酸积累的限制因子[26]。

许多试验证明合成草酸的化合物代谢需要经过乙醛酸,但也有试验表明草酸的合成可能存在另外一条途径,即乙醇酸不经过乙醛酸而直接被乙醇酸脱氢酶(GAD)氧化为草酸。这个酶直接催化乙醇酸为草酸,并不形成乙醛酸作为中间代谢产物[27]。

1.2抗坏血酸途径

同位素示踪实验发现草酸来自于抗坏血酸,因此认为抗坏血酸也是草酸的直接前体[28,29]。进一步研究发现,在菠菜、秋海棠和酢浆草等高草酸积累的植物中可能存在抗坏血酸分子C2/C3裂解生成草酸和酒石酸的反应,而无草酸积累的植物中则没有发现抗坏血酸的这种转化,并且其酶学基础至今尚不清楚。另据报道,抗坏血酸可能先形成乙醛酸,再在乙醇酸氧化酶的作用下形成草酸[15],但也有相反报道。实验室对芥蓝、白菜、菠菜、萝卜、香菜等植物叶片中的草酸含量与对应的抗坏血酸含量进行了相关分析,结果表明二者之间没有相关性。目前还没有确凿的证据表明抗坏血酸途径是所有植物体内草酸合成的主要途径。

1.3草酰乙酸途径

用同位素示踪的方法证明草酰乙酸也是草酸形成的前体,草酰乙酸被草酰乙酸裂解酶裂解为草酸和乙酸[21]。同位素示踪研究表明草酰乙酸、琥珀酸、天冬氨酸均是红甜菜中草酸合成的有效前体[23]。植物中草酰乙酸的裂解途径是否为草酸形成的主要途径目前还不十分清楚,草酰乙酸裂解酶存在与否还没有进一步的酶学证据,因此草酰乙酸途径有待继续探索。

2草酸的分解代谢

一般认为草酸是一种代谢终产物,形成后积累于液泡中或排出体外,不再参与其他代谢,但是在某些植物中发现草酸能继续分解成CO2[23]。用同位素标记法也证明了草酸可重新成为光呼吸乙醇酸途径的中间产物如乙醇酸、甘氨酸、丝氨酸和甘油酸等。分解草酸的酶可能是草酸氧化酶、脱羧酶或脱氢酶,但这些酶只有在为数不多的几种植物中检测到其活性[30]。因此,通常认为草酸转变成上述化合物的过程是缓慢的,而且这种转变可能并不是主要的合成途径[25]。

3草酸含量与氮代谢的关系

铵态氮(NH4+)和硝态氮(NO3-)作为2种不同的氮源,会引起植株代谢上的差异,包括吸收其他离子的差异、根际pH值的差异和代谢物的差异[31]。而且不同形态的氮素营养条件会明显改变植物中的草酸含量[23]。铵态氮下植物细胞还原能力较强,易形成还原性有机物;而硝态氮下植物细胞氧化能力强,易形成氧化性有机物,从而促进有机酸在植物体内的积累。通常铵态氮总是与低的草酸相联系[23]。Palaniswamy等[32]研究马齿苋叶片中的草酸含量达到最低时的营养液成分中铵态氮和硝态氮的比例,结果发现含有铵态氮的营养液培育出的马齿苋比不含铵态氮所培育出的植株草酸含量低40%~50%,同时发现植株的干重、鲜重和叶面积等并不受铵态氮、硝态氮比例的影响。菠菜是一种草酸含量相对较高的植物,但是在以铵态氮为唯一氮源培养时,其草酸含量大大降低[23]。另外,对菠菜的研究同样发现,其新叶中的草酸含量大于老叶,并且培养液中含有铵态氮的植株比不含有的草酸含量低35%~58%[33]。

在以菠菜和马齿苋为材料分析不同氮素形态培养对草酸积累的影响时表明,提高硝态氮水平就意味着草酸积累增加,但高浓度的铵态氮往往导致铵中毒和生物量的降低[23]。高草酸含量的食用植物会引起肾草酸钙结石等疾病,所以通过调节氮素营养来控制植物中的草酸含量在营养学上具有重要意义。实验室以水稻为材料,研究不同氮素形态下草酸代谢的变化,结果表明,NH4+、NO3-是水稻草酸积累的有效调节因子;叶是草酸合成的主要场所,氮素形态对叶中草酸含量的影响是调节其代谢的结果,而不是向下运输和向外分泌的差异所造成的[34]。

氮素调控和影响草酸积累的机制尚未清楚。植物生长状况在很大程度上取决于根系的生长,其中植物生长介质的pH值变化是影响介质各种矿质养分及其有效性的最活跃因素之一[35]。而植物根际pH值变化的主要影响因素是植物对阴阳离子吸收的不平衡,而引起阴阳离子吸收不平衡的主要外界因素是不同的氮素形态。硝酸根离子在还原过程中产生大量的OH-,OH-可能诱导植物分泌有机酸[36]。

同时研究草酸积累与光合、光呼吸及暗呼吸速率的关系,发现它们与草酸含量没有明显的相关性。测定NH4+、NO3-下由乙醇酸、乙醛酸、抗坏血酸、草酰乙酸形成草酸的酶活性,结果表明,上述物质形成草酸的酶活性依次为乙醛酸>抗坏血酸>草酰乙酸>乙醇酸,并且处理间没有显著差异[34]。

4草酸代谢与硫代谢的关系及研究前景

植物中硫酸根的同化路径:SO42-被还原为腺苷-5-磷酸硫酸酐(APS),APS被腺苷-5-磷酸硫酸酐还原酶(APR)还原为亚硫酸盐,亚硫酸盐进一步还原为硫化物,硫化物被OAS(thiol)lyase形成OAS,OAS可以形成半胱胺酸[37]。半胱氨酸可以进一步代谢生成蛋氨酸,或者直接合并为蛋白质或是具有重要功能的谷胱甘肽。半胱胺酸也是合成MT(金属硫蛋白)、PC(植物螯合肽)的重要成分,MT和PC是细胞质中解重金属毒害的重要小分子量蛋白质,在研究植物的抗性中具有重要意义。由此从OAS与硫化物合成半胱氨酸是联系SO42-、NO3-和C同化的关键代谢步骤。

研究不同前体或代谢抑制剂对草酸积累的影响,结果表明,NH4+下外施乙醇酸时草酸含量较大幅度提高,能达到NO3-下水平,而此时乙醛酸含量显著降低[34]。NO3-下外施亚硫酸氢钠和半胱氨酸导致草酸含量显著降低,可接近NH4+下水平,而此时乙醛酸含量提高,可能是在体内乙醛酸与亚硫酸根或半胱氨酸反应形成的产物抑制了从乙醛酸到草酸的反应。由此可以假设草酸调控的可能机理,即内源抑制因子与硫代谢有关,可能是SO32-和Cys、或Cys,进一步的研究可以围绕草酸代谢与硫代谢的相互关系来进行探索。

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