逆境条件下药用植物酚酸类物质“内外大循环”代谢及作用机制探讨

摘要：逆境胁迫是植物进化过程中必不可少的驱动因子，关于植物应对逆境胁迫的适应机制研究日趋深入。植物体内的次生代谢物含量中酚酸类大约占到30％，它具有抗微生物、抗氧化、抗细胞毒性和抗炎的作用，是植物抗逆胁迫过程中的主要“功臣”，也是药用植物发挥临床药效的重要物质基础。前期研究发现，连作条件下丹参植株体内的酚酸类成分含量增加，根际的邻苯二甲酸、苯甲酸等物质能够促进立枯丝核菌增殖，致使连作丹参木质素合成增加，提升植物对病原菌侵染的防御能力。故而本研究对酚酸类次生代谢物在药用植物体内合成以及体外代谢的“全链条”代谢途径进行综合探讨，总结酚酸类次生代谢物合成及分泌的全过程，以期为药用植物抗逆、抗病应答研究提供理论支撑。

关键词：酚酸；药用植物；逆境胁迫；合成调控；根系分泌物；根际微生物

中图分类号：S567 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2024）09-0164-08

植物在生长过程中会遇到水分、温度、重金属、病虫害和生物互作等多种逆境胁迫，在面对这些胁迫时，植物会在体内、体外进化出多种适应机制。在体内，植物会主动或被动合成次生代谢产物参与本身的抗病、抗逆应答，缓解逆境胁迫。在体外，植物会通过根部分泌一系列次生代谢物，直接参与抗逆防御或作为信使在土壤中“招募”有益微生物，以最大限度地降低逆境胁迫对植物造成的损害。

对于药用植物而言，次生代谢产物作为其主要活性成分既是在长期适应、对抗逆境条件下的产物，也是维护植物自身生长的必需营养物质。植物根系分泌物中含有大量的质子、离子以及各种有机物质，根据其合成途径可以分为酚类、萜类、甾类、生物碱和黄酮类等，其中主要是酚酸类、黄酮类以及萜类。研究表明，酚酸类化合物除起到抗氧化、抑制病原体的防御作用外，还以根系分泌物的形式互作于根际微生物群落。首先，根际微生物环境可以通过激发植物模式触发免疫的方式影响根系分泌物的种类和数量，其次，根系分泌物也可以通过改变土壤理化性质的方式影响根际环境。我们之前的研究也表明，在连作胁迫条件下，丹参根际土壤中的酚酸类物质含量显著增加，且与立枯丝核菌等致病真菌存在协同效应。基于此，本研究主要探讨药用植物在面对各种逆境胁迫时，酚酸类次生代谢物在植物体内及根际微环境中的代谢过程和作用机制，以期为植物抗病抗逆应答提供理论支撑。

1基于碳骨架结构的酚酸类根系分泌物研究

酚酸类物质是植物最大的次生代谢物组酚类物质中的一种，从简单的芳环到复杂的环，这些化合物均来源于苯丙氨酸，因此也被称为苯丙烷类化合物。

1.1种类和作用

根据碳骨架结构酚酸类物质可以分为苯甲酸和苯丙烯酸两类，其中以苯甲酸为母核的C5-C1型酚酸包括对羟基苯甲酸、邻苯二甲酸、水杨酸、没食子酸以及原儿茶酸等：另一类以苯丙烯酸为母核的C6-C3型酚酸包括阿魏酸、对香豆酸以及咖啡酸等。

研究表明，这些酚酸类化合物主要有两个作用。一是抑制病原菌的生长繁殖：如烟草中的咖啡酸在面对细菌性病原菌感染时，通过激活苯丙氨酸解氨酶和氧化物酶来促进木质素和羟脯氨酸的积累，形成强大的物理屏障，有效防治细菌性枯萎病；玉米、大豆间作时肉桂酸通过限制大豆疫霉菌孢子的运动及萌发而起到明显的抑菌作用；对香豆酸可以通过抑制革兰氏阴性细菌病原体的主要毒力因子基因的表达起到显著抑制欧文氏菌生长的作用。我们的研究表明，连作丹参邻苯二甲酸与立枯丝核菌共培养体系通过调控环核苷酸门控离子通道（CNGCs）编码基因启动固有免疫（PTI）和效应触发免疫（ETI），共同限制微生物进入，限制病原体繁殖或杀死植物组织内的病原体，但是对于邻苯二甲酸导致丹参连作的贡献率是多少需要进一步研究。

酚酸类化合物的另外一个作用即是可以作为信号分子在植物和微生物之间起到特异性的通讯作用：如苯甲酸参与宿主一病原体相互作用的信号转导途径，通过增加苯丙氨酸解氨酶活性诱导木质素的产生，进而增加植物细胞壁的抗性，减缓植物病害的发展；植物遭遇紫外线、臭氧、寒冷、干旱以及病原体侵袭等胁迫时，植物细胞快速响应不同刺激的关键信号分子，比如水杨酸防御性植物激素，做出防御反应使活性氧产量增加，从而调节细胞抗氧化代谢清除活性氧，起到保护植物自身的作用。

1.2酚酸类化合物在植物体内的代谢过程和影响因子

酚酸类次生代谢物在植物体内的合成过程是以莽草酸为起始物，通过莽草酸进入苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸这三种氨基酸中，其中苯丙氨酸和酪氨酸是苯丙烷类化合物生物合成的起始分子，随后在苯丙烷类化合物合成代谢的过程中产生酚酸类化合物。

目前，对植物体内酚酸类化合物合成代谢的研究程度不一，其中迷迭香酸的代谢途径较为清晰。Di等通过13C同位素示踪法对丹参体内迷迭香酸的苯丙氨酸和酪氨酸两条相互平行支路途径进行研究，最终两条平行途径相结合，通过迷迭香酸合酶基因生成迷迭香酸。在酚酸类物质合成代谢过程中，酶的调控是不可忽视的重要因素，如苯丙烷代谢通路的关键酶中有一个共通的特点，即PAL、C4H、4CL、TAT基因家族都由多基因组成，并且在受到不同刺激时差异表达。目前，越来越多的研究倾向于对酚酸类生物合成过程中的调控因子酶基因的探索，例如裂解酶、转移酶、连接酶、氧化酶以及还原酶的研究已经逐步深入。故而明确药用植物在环境胁迫时体内合成途径中相关酶基因表达量、酶活性与酚酸类化合物之间的因果关系尤为重要。

1.2.1环境胁迫促进植物酚酸类化合物的代谢 植物受到环境条件的胁迫后会产生抗逆反应，这种反应主要有生物和非生物胁迫两个方面。一是土壤中的病原菌、微生物等生物胁迫：如微生物病原菌导致药用体内信号通路的激活，这种活化促进了第二信使的产生和转录因子基因调控的活化，从而导致枸杞、拟南芥等药用植物体内参与次生代谢物合成的酶的表达：Zhou等发现植物促生长真菌链格孢属A13可以刺激丹参次生代谢，诱导C4H基因表达，提高C4H活性。这与我们的研究相一致，在连作丹参中邻苯二甲酸和立枯丝核菌共培体系中PAL和4CL的基因表达上调，表明共培体系诱导了丹参根部中迷迭香酸合成过程中控制关键限速酶基因的表达量升高，进而使酚酸类次生代谢产物合成增加。

第二个是非生物胁迫，包括影响植物根系的土壤理化性质和环境中的温度、湿度、光照以及植物自身的营养物质等。这种非生物胁迫会使植物体内的ROS水平提高，并产生氧化应激，SOD、POD等抗氧化酶活性升高，致使苯丙烷途径中的关键酶活性升高，调控体内酚酸物质积累，应对氧化胁迫。而苯丙烷途径的另一终产物是木质素，它可以增加植物体内细胞壁的坚固性，以此来应对胁迫。酚酸类化合物为木质素合成途径中的中间产物，在紫外线、温度或者光照辐射下，苯丙烷合成途径上的关键酶活性均会增加，如C4H与NADPH和O2共同催化肉桂酸羟基化，继而促进下游酚酸类物质以及木质素等产物合成。相较于4℃，山药在25℃温度下储藏时的PAL、C4H和4CL的活性增加，基因表达被诱导，导致相应的肉桂酸和对香豆酸含量升高。小麦受到UV-B辐射时，C4H基因表达上调，使对香豆酸含量升高。茶树在紫外辐射和机械损伤时，Cs4CL2基因和Cs4CLJ基因表达在不同时间段内出现升高，导致咖啡酸和阿魏酸含量升高。除此之外，植物自身细胞质pH值的变化是植物对外部刺激反应的重要信号之一，通常，植物细胞中的胞质pH值维持在相对恒定水平，以保持正常的生理功能。然而，细胞内pH值的变化会影响许多代谢过程，胞质酸化被认为是信号转导的重要组成部分，不仅预示着防御反应也调节植物特定次生代谢物的生成，随着胞质酸化的发生，PAL、TAT的表达增加，同时增加了酚酸的积累。综上，与药用植物根系密切接触的土壤环境是影响植物酚酸类代谢物分泌的重要因素，不可忽视。

1.2.2酚酸类化合物的分子调控 在调控酶活性的多基因家族中，每一个基因家族中的不同基因在植物的不同部位表达均存在差异：如Hou等在丹参植株体内发现了3个PAL基因，且都参与迷迭香酸的合成，SmPAL1和SmPAL3在根和叶中的表达较高，而SmPAL2在茎和花中表达：Tonnessen等发现，在9个水稻PAL基因型中，OsPALA突变体比野生型更容易受到纹枯病和白叶枯病的侵染。然而基因家族中不同基因对于不同的酚酸类物质也呈现出不同的亲和力，如目前在丹参中已经鉴定出7个4CL基因，分析揭示了Sm4CL2对4-香豆酸较强的底物亲和力，而4-香豆酸是参与木质素、迷迭香酸等酚酸类化合物的前体物质，而Sm4CL1则更倾向于阿魏酸和咖啡酸。

植物在遇到各种胁迫刺激时会诱导基因家族中不同基因的差异表达，如水稻遭遇缺磷胁迫时，OsPAL基因在根和地上部的表达均显著增加。MdTAT2和MdTAT3基因的表达响应苹果的干旱胁迫，拟南芥中MdTAT2基因的表达则在干旱胁迫下得到促进，也就表明这些基因在耐旱中起的作用。在紫外线胁迫时，AtPAL1、AtPAL2以及AtPAIA的表达也显著增加。综上表明，苯丙烷途径的特定产物由特定酶的代谢通路合成，并且不同的关键酶基因可以与特定产物的产生起到协同作用。

2酚酸类物质体外作用机制研究

对于药用植物来说，其次生代谢产物既是其临床疗效的物质基础，也是对逆境胁迫的一种响应。除了体内合成代谢研究，次生代谢物作为根系分泌物进入土壤之后的代谢及其作用研究也逐渐深入。近几年的研究表明，植物根部在受到胁迫时进化出一种“Cry for help”机制，通过这种机制招募土壤中的有益微生物，而这些有益微生物可以帮助植物克服各种胁迫，或将这些胁迫的损害降到最低，最终起到促进植物生长的作用。

2.1根部免疫反应——胁迫诱导酚酸类根系分泌物变化

在所有植物组织中，根部的微生物多样性最丰富，故而根部已进化出复杂的免疫系统来应对植物胁迫。在植物受到胁迫时，细胞表面的模式识别受体（PRR）可以通过微生物相关分子模式（MAMP）和病原菌相关分子模式（PAMP）来识别微生物以及病原菌，在防御的同时产生高浓度的活性氧以及离子瞬态爆发和丝裂原活化激酶（MAP激酶）的磷酸化，影响下游转录调节，继而触发固有免疫（PTI），使植物产生激素进行防御。水杨酸、茉莉酸就是植物免疫过程的中间调节因子，在协同和拮抗相互作用的复杂网络中协调局部和全株的免疫应答，如水杨酸可以通过根际细菌进入铁载体，其在根际积累可能会选择产生铁载体的根际细菌，达到防御的目的。Lebeis等通过16S rRNA基因测序证明，拟南芥受到胁迫时水杨酸和茉莉酸开启防御信号增强根系分泌物的分泌，以影响根际微生物组。

有研究表明，感染病原体后，植物有50种以上的根系分泌物发生变化，比如，病原菌生物胁迫会导致秋葵体内莽草酸、没食子酸、香草酸、阿魏酸等酚酸类物质分泌增加。在这一过程中，已有研究表明水稻根中的MATE转运蛋白在遇到胁迫时促进酚酸类化合物向木质部的转运，由此推测类似MATE的转运蛋白可能参与酚类化合物释放到土壤中。本课题组在前期研究中发现连作丹参中邻苯二甲酸、苯甲酸和对羟基苯甲酸等12种酚酸类物质含量增加且增幅较大，除酚酸类物质外，酯类、醇类根系分泌物的含量也增加。

2.2酚酸类根系分泌物引起根际微生物变化

在“Cry for help”假说中，植物受到胁迫时分泌的特定根系分泌物“招募”有益微生物的增殖，抑制病原体的发展，这是呼救假说中重要的一步。同时根部作为微生物多样性最为丰富的部位，根际的根系分泌物是吸引根际微生物的重要信号，调节根和微生物的相互作用。根系分泌物在起到营养物质作用的同时，诱导微生物应激反应，有益于植物生长：如与水杨酸和茉莉酸密切相关的根际促生菌（PGPR）可以激活抗细菌和抗真菌物质的产生和微生物应激反应等，而这是通过PGPR的假单胞菌中会发现的一种群体感应信号（Qs）来激活细菌中的转录应激反应，调节PGPR应答。植物防御时，迷迭香酸的积累通过植物来源的HSL类群体感应信号分子，提前刺激Qs响应基因表达来模拟降低致病性的模型，也就是通过HSL信号传导诱导植物对细菌病原体的系统抗性。除此之外，人参根部分泌的没食子酸、苯甲酸等酚酸类物质可以增加土壤中真菌的丰富度。而这正与本课题组前期研究一致，即丹参在连作条件下分泌增加的邻苯二甲酸在低浓度时对立枯丝核菌表现出促进作用，而在高浓度下表现出抑制作用。

2.3酚酸类物质促进植物根际微生物组间交流

群体感应在植物根际微生物组间普遍存在，即微生物通过产生或者响应小分子的群体感应信号来检测微生物种群密度，如现在已经从多种变形杆菌中分离出的N-酰基高丝氨酸内酯（AHL）QS信号。AHLs还进化为影响植物基因表达、诱导系统性植物抗性以及影响植物生长和发育的界间信号。多种药用植物分泌的迷迭香酸作为一种高丝氨酸内酯模拟物，激活细菌群体感应信号，同时还对微生物生物膜的形成以及蛋白酶的合成有刺激作用。除此之外，细菌的扩散信号因子（DSF）不仅可以作为细菌之间的感应信号也被确定为界间信号在植物中触发先天免疫。故而微生物之间的Qs信号在植物受到胁迫时招募和塑造根际微生物组中发挥根本作用，并且大多数微生物至少能对一类微生物信号作出响应，除了响应微生物之外，大多Qs信号也可以作为界间信号诱导植物基因的表达。

2.4酚酸类物质促进植物-根际微生物相互作用

植物和微生物之间的相互作用机制复杂，涉及不同生物体之间的信号传导、基因的表达和沉默以及对各种信号反应的诱导和抑制。对于植物本身来说，首先是PRR识别与其相互作用的各种微生物的不同分子机制，植物可以通过与MAMP结合的PRR检测微生物的存在。除此之外，一些根际微生物的代谢物也可以通过植物的MAMP被识别，常见于包括几丁质和鞭毛蛋白在内的MAMP诱导系统防御，二者的结合激活植物的基础防御应对植物胁迫。其次，当受到病原菌胁迫时，植物会在细胞崩解时产生内源性信号，激发损伤相关分子模式（DAMP），诱导植物诱发肽（Peps）的激活，而植物诱发肽是广泛分布的植物信号分子，可激活多种防御途径，对拟南芥的转录分析表明Peps激活水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和乙烯信号传导，以此来应对胁迫。

有益根际微生物通过竞争营养物质以及引发ISR间接抑制土壤病原菌。早期对于拟南芥的研究表明，ISR受SA非依赖性信号通路控制，该通路通过激活远端的JA和ET依赖性防御基因和细胞壁的防御，以此来增加植物对病原体感染的反应时间，并且通过茉莉酸信号也确实影响了根际微生物的组成以及微生物的生长繁殖。

3总结与展望

药用植物中发挥防病治病功能的有效成分是其区别于其他作物最主要的特征，有效成分主要是药用植物自身生长过程中与环境共同作用积累的次生代谢产物，分为糖与苷类化合物、苯丙素类化合物、黄酮类化合物、萜类化合物等。正如所言“顺境出产量，逆境出品质”，药用植物品质的好坏与其受到的逆境胁迫密不可分。从中药材利用的角度看，研究人员根据长期的临床经验已总结出优质中药材的品质特征，主要为特定次生代谢产物的种类、含量和比例。研究指出，一方面药用植物微生物AX+Z4M9kWcdk6n54e7GRJw==通过产生某些信号物质激活次生代谢产物产生的信号通路，以调节药用植物次生代谢产物的合成和积累：另一方面，次生代谢物通过在植物体内合成后释放到土壤中，继而影响土壤中的根际微生物，使植物达到抗逆的作用。而在这一互作过程中，信号分子就是连接土壤、微生物和植物的桥梁，而酚酸类次生代谢物作为信号分子在植物和微生物之间发挥着关键性的通讯作用。在植物地上部，酚酸类次生代谢物的生物合成主要目的是，植物受到胁迫后调控苯丙烷代谢通路上关键酶的基因被激活，使酚酸类物质的积累增加，而这通常与增强药用植物本身药效以及抗逆耐受性成正比，进而起到保护植物的作用。而在植物地下部，酚酸类次生代谢物作为根系分泌物分泌到土壤中之后，其作为触发植物与根际微生物之间的信号分子，激发自身免疫系统，招募有益于植物的微生物生长繁殖，起到抵抗外界胁迫的作用。因此，探究药用植物通过机体地上部次生代谢物的生成以及地下部有益微生物的募集，这两部分的整体抗逆性来阻止、降低或修复由环境改变或逆境造成的损伤，以使植物仍保持正常的生长生理活动等内容逐渐成为研究的核心，以期能够充分利用创新的研究方法和技术手段来保护和开发珍贵而丰富的药用植物资源。