植物脂肪氧化酶的特性与功能

谢鸿光 ，许惠滨 ，潘丽燕 ，连 玲 ，江敏榕 ，魏林艳 ，张建福

（1.福建省农业科学院水稻研究所，福建福州350018；2.农业部华南杂交水稻种质创新与分子育种重点实验室/福州（国家）水稻改良分中心/福建省作物分子育种工程实验室/福建省水稻分子育种重点实验室/福建省作物种质创新与分子育种省部共建国家重点实验室培育基地/杂交水稻国家重点实验室华南研究基地/水稻国家工程实验室，福建福州350003）

脂肪氧化酶（LOXs，亚油酸：氧化还原酶）含有非血红素铁或锰，是一类专一催化多元不饱和脂肪酸（如亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸）加氧反应的双加氧酶，其催化的多元不饱和脂肪酸含有顺，顺-1,4-戊二烯结构，生成的多元不饱和脂肪酸的氢过氧化物含有共轭双键［1］。LOXs大量存在于动物、植物和微生物中［2］，在植物中，它主要催化含有18个碳的亚油酸 （Linoleic acid）和亚麻酸（Linolenic acid）的反应［3］；在动物中，它则是以20个碳的花生四烯酸 （Arachidonic acid）为底物。通常把由LOXs及其后续一系列反应催化多元不饱和脂肪酸（PUFA）的代谢过程称为LOX途径（Lipoxygenase pathway）［4］，植物体内 LOX途径的主要过程如图1所示。

图1 植物体内LOX途径

目前的研究发现在大豆、花生、拟南芥、黄瓜、大麦、豌豆、番茄和水稻等植物中均存在LOXs，其表达受各种因素影响，如生长阶段、激素、非生物胁迫和真菌感染等［5］。此外，从不同的植物分离出的LOXs基因具有不同的组织特异性表达，不同的植物种类及其不同的生长阶段LOXs的活性也随之变化［3］。亚细胞结果表明，植物中的LOXs主要分布于脂体、微粒体、叶绿体、液泡、质膜和胞浆中，同时在脂体膜和质膜上也有发现，它们主要以跨膜蛋白的形式存在［6，7］。在植物中，LOXs催化底物产生手性与位置专一性不同的氢过氧化基，因此可将其分为3种类型［7］：第1类是催化底物生成9S-氢过氧化物（9-HPOD）的9-氢过氧化亚油酸（9-LOX），如番茄果实和马铃薯块茎中的LOX、豌豆种子以及水稻种胚中的LOX3；第2类是催化底物生成13S-氢过氧化物（13-HPOD）的13-氢过氧化亚油酸（13-LOX），如大豆种子的LOX1和豌豆种子的LOX2；第3类是9/13-LOX，它是一种非传统的LOX，生成等量的9-HPOD和13-HPOD［8］，如大豆种子中的LOX2和LOX3。

近年来，伴随越来越多研究小组的加入，人们对植物LOXs及其反应产物氧化脂（oxylipins）的了解越来越深入。此外，克隆了一系列植物LOXs基因序列，为进一步揭示它们的系统发育并阐明LOXs基因序列与结构、区域选择性和活性关系提供了可能。综述了有关植物LOXs的生理学作用。

1 调控植物生长发育

研究表明，在大豆生长发育过程中，其体内的LOXs含量不断变化着，当其组织处于快速生长阶段时，其体内的LOXs活性很高，因此，研究者认为在大豆生长发育过程中，LOXs发挥重要的调控作用。此外，证明LOXs调控植物的生长发育的证据还来自Porta等人［9］，他们在处于生长发育的菜豆根瘤中检测到LOXs活性，并验证到其相应的mRNA的表达，当根瘤生长停止的时候，LOXs及其相应的mRNA的含量都是不断地下降，直到消失为止，因此，Porta 等人推测菜豆根瘤的发育可能受LOXs的调控。

马铃薯LOX1基因是一个具有块茎专一性表达的基因，其编码产物具有9-LOX活性，原位杂交结果证实其主要在发育的块茎中表达。2001年，Kolomiets等［10］通过研究转反义LOX1基因的马铃薯植株，结果发现其块茎的产量明显下降，而且形状畸形，表明LOX1参与调控块茎的发育和生长，并可能与LOXs的反应产物羟脂（oxylipin）有关。当然，也不排除LOXs调控种子萌发和根瘤发育的可能性［3］。

2 调节植物组织衰老

在植物中，脂质过氧化及其产生的自由基导致其膜降解进而引起组织衰老，而脂肪氧化酶及其催化产生的氢过氧化物可能直接参与了以上反应［11］。LOXs还参与启动了组织的膜脂过氧化作用［12］，在促进酶的失活反应的同时，还抑制叶绿体的光化学活性，最终加速细胞膜的降解［13］；其催化产生的自由基加剧细胞组分降解，促进组织衰老。

研究发现，LOXs与植物果实成熟和衰老密切相关，但对其生理作用机理的研究还不是很透彻。我们知道乙烯（C2H4）调节果实后熟进程，人为调控其合成可实现此目的。而C2H4的合成需要有自由基及过氧化物的参与，LOXs催化所产生的超氧自由基正好可以参与该反应［14］。另外，茉莉酸（JA）和脱落酸（ABA）也是促进植物组织衰老的生长调节剂，它们的合成同样需要有LOXs的参与［3，15］。番茄果实成熟伴随着LOXs活性的增强，人为施加LOXs能够使果实组织电导率增加，从而促进果实的成熟与衰老；研究人员还发现外源施加乙烯促使番茄果实 LOXs活性增强［16］。猕猴桃的果实采摘后初始阶段，伴随着LOXs活性不断增强，启动了膜脂的过氧化反应，不断消耗底物亚麻酸和亚油酸，且不断释放出游离的脂肪酸，最终引起亚麻酸和亚油酸的积累［17］。此外，在苹果储存过程中，LOXs活性与乙烯合成量呈正相关，它不仅启动果实成熟反应，还诱导合成乙烯，加速果实的成熟与衰老［7］。

3 防御病虫害

前人的研究表明，LOX途径与植物对病虫害的防卫反应息息相关。其产生的茉莉酸（JA）是参与植物转导防御反应的重要的信号因子；此外，生成的多种脂肪酸的氧化物，包括二乙烯乙醚类（divinylethers）和醛类（aldehydes），都具有抗病菌和虫害的活性［18-20］。

当植物受到害虫与病原菌侵染时，引起其体内的LOXs活性及其代谢产物的含量不断地提高，包括脂氢过氧化物、氧化自由基和醛、酮等挥发性物质等，它们都可以实现抑制病虫生长以及抵御病原菌侵染的目的，具体表现为在抗病植株体内LOXs的活性比敏感植株高很多。当大豆叶片受伤后，其体内的LOXs酶活性急剧增强［21］；后面的研究又证实水稻稻瘟病菌［22］以及烟草 P.parasitica［23］都可以诱导LOXs的表达，这说明许多植物中LOXs的表达均受虫害和病原微生物的诱导。以上现象有两种可能的解释：① LOX途径产生的代谢物具有抗真菌活性，能够抑制真菌的生长；② 启动LOX途径诱导植物过敏性反应（Hypersensitive reaction，HR）。前人的研究表明，LOXs活性增高和HR反应具有相关性，其可能原因是LOXs催化不饱和脂肪酸进而生成的脂氢过氧化物很不稳定，且极易通过均裂反应而生成大量的活性氧自由基，参与细胞膜脂的过氧化，从而破坏质膜，最终导致细胞坏死［24，25］。同时HR的进行需要激活9-LOX和 13-LOX［26］，其中，9-LOX主要负责脂肪酸的过氧化，而13-LOX则负责JA的合成，这进一步说明HR的发生依赖于LOXs的存在。

4 作为储藏蛋白

LOXs普遍存在于植物种子中，然而，尚未出现相关的研究表明其对种子发育发挥特定的功能。在非种子表达的植物中，LOXs可以以营养生长储藏蛋白（vegetative storage protein, VSP）的形式存在，如大豆叶肉细胞液泡中营养器官的储藏蛋白就是LOXs。在大豆种子发育过程中，3种LOX的含量占全部可溶性蛋白的1%，到萌发的早期它们就完全消失。同时在大豆子叶中出现三种新的LOX同工酶，它们均不是位于脂体膜上，也不参与储藏脂质的降解。以上结果表明植物种子LOXs可能具有种子储藏蛋白的功能［3］。

5 参与种子储藏

在植物的生活史中，种子是重要的阶段之一，且在植物繁衍中发挥着不可替代的作用。在储藏过程中，通常随着储藏时间的延长，种子会不断老化劣变，活力不断下降。产生此现象最主要的一个原因是细胞膜完整性的丧失，而细胞膜完整性丧失的关键因素则是过氧化物、自由基以及膜脂过氧化代谢产物的产生和毒害作用，它们是引起植物组织衰老和种子劣变的主要原因［27］。脂体（lipid body，又称油体，oil body）是一种由磷脂单分子层包裹的储藏甘油三酯的球体结构，也是储藏脂类聚集的主要细胞器，而LOXs则是定位在脂体膜上催化储藏脂类转运和降解的限速酶。

6 在食品加工中的应用

LOXs普遍存在于各种食品原料中，一方面其催化的生化反应可能影响食品加工品质；另一方面，其代谢产物可能降低食品的营养价值，主要是通过直接与食品中的有效成分（氨基酸和蛋白质）结合，因此，研究人员建议在食品加工和储藏过程中应尽可能降低LOXs含量与活性［28］。

大豆由于其富含营养而备受青睐，而在大豆的加工过程中，LOXs通过分解不饱和脂肪酸产生小分子挥发性物质醛、酮和醇等，这就是豆腥味产生的原因所在。为此，前人大量研究如何通过降低大豆LOXs活性来消除豆制品的豆腥味，最后发现，豆腥味的产生与大豆体内LOXs的活性存在正相关。研究发现通过改变介质的pH值、加入醛水解酶、微波处理和有机溶剂萃取等均可降低豆腥味。但这些方法却增加了豆制品的加工成本，还引起大豆蛋白水溶性下降。因此，应该从根本上解决此问题，即培育低LOXs含量的大豆品种。1999年，麻浩等［29］利用诱变技术培育了一个纯合的LOX缺陷型大豆新品种。研究发现，蚕豆粉或大豆粉中的LOXs可以与面粉中的类胡萝卜素发生偶联反应漂白面团，因此，可以往面粉中添加些许的蚕豆粉或大豆粉，其中的LOXs不但可以漂白面粉，还能够提高焙烤食品的质量。LOXs还具有使食品发生颜色变化的作用，比如苜蓿加工饲料中的叶黄素及其它有色类胡萝卜素的降解，冷冻和加工蔬菜中叶绿素的破坏，还有添加于食品中的色素的降解等［30］。而LOXs提高烘焙食品质量的原理主要包括两个方面：一、在面筋蛋白质中形成二硫键-S-S，从而引起蛋白质构象变化并使带电基团转向蛋白质表面，改变面团的流变性；二、氧化面筋蛋白，释放结合的脂肪，防止脂肪的结合反应，促进游离脂肪数量增加，有效改进面包的柔软度［31］。

另外，LOXs还应用于茶叶加工过程。人们在红茶和乌龙茶的发酵过程中利用LOXs来催化亚麻酸和亚油酸的氧化分解，生成茶叶特有的香气成分，包括已烯醇、已烯醛和正己醛等。

7 讨论

脂质过氧化是所有生物系统中常见的一种代谢反应，出现在生长发育过程中，调控生物和非生物胁迫的响应机制。脂质过氧化的初始阶段可以通过化学反应促使其发生，也可来自酶的催化作用。在植物中，这种反应主要是由脂肪氧化酶催化的。LOXs亚型的数量、结构和功能的多样性使植物能够适当地响应环境的挑战。JA及其十八烷酸前体是第一个具有信使功能的氧化脂蛋白。越来越多的研究表明这些化合物在植物生长发育和胁迫反应中起“主开关”作用。此外，其他的氧化脂蛋白作为公认的信号分子也逐渐受到关注。

近几年来，对LOX通路复杂性及其生理意义的了解显著增加。对不同植物LOXs的研究为揭示它们的机制奠定了基础。反向遗传学方法为脂肪氧化酶功能的研究提供了初步的见解。此外，氧化脂蛋白生物合成突变体的产生，以及编码LOX途径相关酶基因的持续过表达和失活，有望拓宽我们对脂肪氧化酶参与植物发育与逆境适应的生理功能的认识。