劉穎，王瑩，龍萃，張志毅，龐曉明

1 北京林業(yè)大學(xué)林木育種國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 林木花卉遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

2 暨南大學(xué)生物工程學(xué)系，廣州 510632

植物多胺代謝途徑研究進(jìn)展

劉穎1，王瑩2，龍萃1，張志毅1，龐曉明1

1 北京林業(yè)大學(xué)林木育種國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 林木花卉遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

2 暨南大學(xué)生物工程學(xué)系，廣州 510632

多胺是一類小分子生物活性物質(zhì)，廣泛存在于生物體內(nèi)，與植物的生長(zhǎng)發(fā)育、衰老及抗逆性都有著密切的聯(lián)系。目前，在植物中的多胺合成途徑已經(jīng)基本揭示，其生理作用在分子水平上逐步得到闡明。對(duì)多胺合成突變體和各種轉(zhuǎn)基因植物的研究也使得人們更深入地了解了多胺以及其合成代謝相關(guān)酶在植物生長(zhǎng)發(fā)育等生理過(guò)程中的重要作用。以下概述了植物多胺代謝途徑，重點(diǎn)綜述了代謝途徑中各基因的功能及遺傳操作的最新進(jìn)展，并對(duì)將來(lái)的研究方向尤其是相關(guān)基因在植物抗逆境 (包括生物和非生物逆境) 基因工程方面的應(yīng)用作了討論。

多胺，代謝途徑，生物合成途徑，抗病性，亞精胺合成酶

Abstract:Polyamine is an important physiological regulation substance functioning in a wide variety of biological processes,such as plant growth, development, senescence and adversity stress tolerance, which widely exist in all living organisms. Their biosynthetic pathways have already been revealed, and their physiological roles are being elucidated gradually. Previous work on polyamines biosynthetic deficiency mutants and various transgenic plants facilitates improved understanding of the important roles of polyamines and biosynthetic enzymes in plant growth and development. This paper summarizes researches in the biosynthetic pathways of polyamines in plants, focusing on research advances on functions of genes involved in polyamine metabolism. In addition, the potential research directions, especially the application of the genes in the genetic engineering of plant stress tolerance were also discussed.

Keywords:polyamines, metabolic pathway, biosynthetic pathways, disease resistance, spermidine synthase

多胺 (Polyamine，PAs) 是一類存在于原核生物及真核生物中的具有強(qiáng)生物活性的低分子脂肪族含氮堿。在植物中，它們不僅參與了各種生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程[1]，還與抗逆性密切相關(guān)[2]。隨著生物科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，新的實(shí)驗(yàn)手段和儀器相繼出現(xiàn)，多胺的生理作用和功能也被進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)。高等植物體內(nèi)含有的多胺主要有：腐胺(Put)、亞精胺 (Spd)、精胺(Spm)、尸胺 (Cad) 及鯡精胺(Agm)等。除常見(jiàn)的多胺外，生物體內(nèi)還存在著稀有多胺，如降精胺(Nspm)、降亞精胺 (Nspd)、高精胺 (Hspm)、高亞精胺 (Hspd) 和熱精胺 (Tspm) 等。以前一直認(rèn)為稀有多胺只存在于微生物體內(nèi)[3]，直到后來(lái)人們才陸續(xù)地在高等植物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)稀有多胺的存在[4]。此外，除以上幾種稀有多胺，Hamana等[5]還在萍蓬草中發(fā)現(xiàn)了稀有多胺N,N’-二(3-氨丙基)-1,2-乙二胺(NH2(CH2)3NH(CH2)2NH(CH2)3NH2)，在菱角中首次發(fā)現(xiàn)了N4-甲基亞精胺(NH2(CH2)3N(CH3)(CH2)4NH2)。

目前，多胺的主要代謝和調(diào)節(jié)途徑已基本揭示[6]，與植物多胺生物合成相關(guān)的酶的基因相繼被克隆，并且獲得了一些轉(zhuǎn)基因植物[7]，同時(shí)也得到了一些多胺合成突變體，對(duì)這些轉(zhuǎn)基因植物和突變體的研究使得人們更深入地了解了多胺及其合成代謝相關(guān)酶在植物生長(zhǎng)發(fā)育等生理過(guò)程中的重要作用。

1 多胺在植物體內(nèi)的代謝

1.1 多胺的生物合成

在大部分的生物體內(nèi)，多胺的合成始于腐胺的合成，精氨酸先脫去一分子脲生成鳥(niǎo)氨酸，再由鳥(niǎo)氨酸脫羧酶 (ODC) 催化脫羧，生成腐胺。在植物和某些微生物體內(nèi)，精氨酸被精氨酸脫羧酶 (ADC)催化脫羧，生成鯡精胺，再經(jīng)兩步酶促反應(yīng)，脫去一分子氨，由N-氨甲酰腐胺而生成腐胺。腐胺在亞精胺合成酶 (SPDS) 的催化下生成亞精胺，亞精胺一方面經(jīng)精胺合成酶 (SPMS) 催化生成精胺，另一方面經(jīng)熱精胺合成酶 (ACL5) 催化生成熱精胺。反應(yīng)過(guò)程中的氨丙基由 S-腺苷蛋氨酸脫羧酶(SAMDC) 催化 S-腺苷蛋氨酸 (SAM) 脫羧產(chǎn)生的脫羧 S-腺苷蛋氨酸 (dcSAM) 提供，整個(gè)合成代謝途徑如圖1所示。

圖1 植物主要多胺生物合成途徑及與之相關(guān)的合成酶Fig. 1 Biosynthetic pathways of polyamines in plants. ACC:1-aminocyclopropane carboxylic acid; SAM: S-adenosylmethionine;dcSAM: decarboxylated S-adenosylmethionine; SAMDC:S-adenosylmethionine decarboxylase; ADC: arginine decarboxylase; ODC: ornithine decarboxylase; SPDS: spermidine synthase; ACL5: thermospermine synthase; SPMS: spermine synthase.

1.2 多胺的分解代謝

多胺的分解代謝是通過(guò)二胺氧化酶 (DAO) 和多胺氧化酶 (PAO) 的氧化作用實(shí)現(xiàn)的。二胺氧化酶是一類含銅酶，催化二胺腐胺和尸胺氧化分解，它催化腐胺生成4-氨基正丁醛、H2O2和氨。DAO在雙子葉植物中含量水平較高，但至今僅在少數(shù)幾個(gè)物種中發(fā)現(xiàn)其編碼基因[8]。與DAO不同，PAO以非共價(jià)鍵與FAD相連，在單子葉植物中有較高的水平[9]。PAO有多個(gè)家族，它們的作用或是氧化多胺生成代謝終產(chǎn)物，或是催化多胺合成的逆反應(yīng)。第 1類PAO，如小麥 PAO，催化亞精胺和精胺氧化分解分別生成4-氨基正丁醛或3-氨丙基-4-氨基正丁醛，同時(shí)生成1,3-丙二胺 (Dap) 和H2O2[8]。第2類PAO，如擬南芥PAO1和PAO4，類似于哺乳動(dòng)物精胺氧化酶 (SMO)，催化精胺生成亞精胺，擬南芥PAO3可以催化精胺生成亞精胺，再生成腐胺[10]。第 3類PAO也具有相似的多胺氧化酶結(jié)構(gòu)域，但并不催化多胺的脫氨基作用[10]。

多胺的代謝與植物體內(nèi)許多其他代謝途徑有著密切的聯(lián)系，包括信號(hào)分子的生成和植物脅迫下的應(yīng)激反應(yīng)等。多胺合成途徑中的S-腺苷蛋氨酸同時(shí)也是乙烯合成的前體，它在ACC合成酶 (ACS) 的催化下生成 1-氨基環(huán)丙烷羧酸 (ACC)，再經(jīng) ACC氧化酶 (ACO) 作用生成乙烯，許多研究顯示多胺和乙烯的合成存在競(jìng)爭(zhēng)作用[11-13]。多胺的代謝也影響著植物體內(nèi) NO的產(chǎn)生[14]，這使得多胺與其他介導(dǎo)植物應(yīng)激反應(yīng)的物質(zhì)聯(lián)系起來(lái)。此外，多胺氧化產(chǎn)生的 H2O2與植物在生物與非生物脅迫中的信號(hào)傳遞[15]、脫落酸誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉[8,16]等都有著密切的聯(lián)系。因此，將多胺在植物體內(nèi)的代謝與植物激素以及信號(hào)物質(zhì)的作用聯(lián)系起來(lái)，對(duì)于研究多胺在植物生長(zhǎng)發(fā)育、逆境脅迫中的作用是很有意義的。

2 多胺代謝途徑中基因的功能

從多胺的生物代謝途徑中可以看出，精氨酸脫羧酶 (ADC)、鳥(niǎo)氨酸脫羧酶 (ODC)、S-腺苷蛋氨酸脫羧酶 (SAMDC)、亞精胺合成酶 (SPDS)、精胺合成酶 (SPMS) 和熱精胺合成酶 (ACL5)，以及二胺氧化酶 (DAOs) 和多胺氧化酶 (PAOs) 都是植物體內(nèi)多胺合成和分解代謝過(guò)程中的關(guān)鍵酶，關(guān)于這些關(guān)鍵酶的基因克隆、定位及其表達(dá)分析將有助于人們從分子水平上揭示多胺調(diào)控高等植物生長(zhǎng)發(fā)育的本質(zhì)，并可能通過(guò)轉(zhuǎn)基因手段調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育。

2.1 精氨酸脫羧酶基因

精氨酸脫羧酶 (ADC) 催化底物精氨酸合成鯡精胺，繼而轉(zhuǎn)化為腐胺。利用多抗免疫檢測(cè)煙草中精氨酸脫羧酶的分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其在煙草所有的器官中均存在[17]。關(guān)于ADC基因的研究普遍顯示它的表達(dá)與植物在鹽脅迫、干旱脅迫下的反應(yīng)有關(guān)，主要是提高了腐胺的積累量。當(dāng)野生型擬南芥遭受干早或鹽脅迫時(shí)，受脅迫誘導(dǎo)的精胺酸脫羧酶基因(AtADC2) 可以調(diào)節(jié)植株體內(nèi)腐胺的積累量[18]，而AtADC2突變體對(duì)鹽脅迫敏感，外源施加腐胺可以緩解。LIU等[19]研究發(fā)現(xiàn)蘋(píng)果愈傷組織在鹽脅迫下雖然腐胺含量增加，但只有外源施加腐胺才能夠緩解脅迫帶來(lái)的損傷，作者推測(cè)這可能是由于內(nèi)外源腐胺具有不同的代謝區(qū)室所造成的，但也有人認(rèn)為是由于內(nèi)源的腐胺并未達(dá)到向亞精胺和精胺轉(zhuǎn)化的臨界值，因而不能起到保護(hù)植物的作用[20]。ADC基因在多種植物和微生物中都已經(jīng)被克隆出來(lái)[21-22]，但從不同植物中克隆的ADC基因及其編碼的蛋白不完全相同。ADC基因mRNA具有較長(zhǎng)的非翻譯序列，如番茄的ADC基因3′端有530 bp的非轉(zhuǎn)錄區(qū)[21]，而豌豆ADC基因的mRNA 非翻譯區(qū)前導(dǎo)序列達(dá)到了557 bp[22]。此外，ADC基因mRNA的含量在環(huán)境脅迫下變化不大[23]，而精氨酸脫羧酶活性升高很多，這也與Liu等[13]在桃果實(shí)成熟過(guò)程中觀察到的ADC的表達(dá)與ADC活性變化關(guān)系結(jié)果一致，因此可以推測(cè)ADC的前導(dǎo)序列有可能是調(diào)控ADC反應(yīng)的識(shí)別區(qū)，在翻譯水平上調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，這說(shuō)明ADC可能存在翻譯后的調(diào)節(jié)。多項(xiàng)轉(zhuǎn)基因的研究結(jié)果顯示，過(guò)表達(dá)ADC基因可以提高植物的抗鹽性和抗旱性，如Roy和Wu[24]以誘導(dǎo)型啟動(dòng)子構(gòu)建燕麥ADC基因載體，導(dǎo)入水稻植株，獲得的轉(zhuǎn)基因植株抗鹽性明顯提高。Capell等[20]研究發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)曼陀羅ADC基因的水稻，亞精胺和精胺水平提高，耐旱性增強(qiáng)。但是，也有研究顯示植物體內(nèi)過(guò)高的ADC水平對(duì)植物生長(zhǎng)不利，轉(zhuǎn)燕麥ADC基因的水稻，在誘導(dǎo)型啟動(dòng)子的控制下表現(xiàn)出抗旱性，但是組成型的表達(dá)嚴(yán)重影響其生長(zhǎng)發(fā)育[25]，這可能是由于產(chǎn)生了過(guò)多的腐胺，對(duì)植物體造成了毒害。擬南芥中過(guò)表達(dá)AtADC2，出現(xiàn)了矮化、赤霉素 (GA) 缺乏和開(kāi)花遲等現(xiàn)象，表明腐胺的增加抑制了赤霉素的合成[26]。在柑橘中過(guò)表達(dá)來(lái)源于枳的PtADC基因?qū)е掳?、葉片氣孔密度變低，并極顯著地提高了對(duì)潰瘍病的抗性[27]。

2.2 鳥(niǎo)氨酸脫羧酶基因

鳥(niǎo)氨酸脫羧酶 (ODC) 廣泛存在于動(dòng)物組織細(xì)胞，是一種磷酸吡哆醛依賴性酶，催化鳥(niǎo)氨酸直接生成腐胺。ODC基因在某些植物中表達(dá)并不明顯，Hanfrey等[28]在煙草的懸浮培養(yǎng)細(xì)胞中就沒(méi)有檢測(cè)到ODC的活性，在擬南芥中甚至并未發(fā)現(xiàn)ODC基因。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的不同植物中的ODC基因有著較高的同源性，喬夢(mèng)吉[29]從檉柳中分離了ODC片段，片段序列與辣椒等植物 ODC基因的序列一致性在 87%以上?，F(xiàn)有的研究表明，ODC基因主要在旺盛分裂的分生組織及繁殖器官中大量表達(dá)，Tiburcio等[30]發(fā)現(xiàn) ODC是在番茄果實(shí)成熟前期多胺合成的關(guān)鍵酶，最近的研究又在根冠、皮層薄壁細(xì)胞、中柱的膨大細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)ODC的轉(zhuǎn)錄物，表明ODC與細(xì)胞的膨脹有關(guān)。ODC的表達(dá)在桃果實(shí)成熟過(guò)程中與ADC有相似的趨勢(shì)[13]，而在非生物脅迫下，其變化趨勢(shì)與 ADC不盡相同[22,26]。出乎意料的是，ODC基因在蘋(píng)果各組織包括果實(shí)中的表達(dá)量非常低，用地高辛標(biāo)記進(jìn)行Northern雜交檢測(cè)不到ODC的表達(dá)[31]。RT-PCR也未檢測(cè)到其表達(dá)，嘗試多種方法未能獲得其全長(zhǎng)基因 (龐曉明，未發(fā)表資料)。研究顯示，ODC 基因在受到生物脅迫[32]或損傷[33]時(shí)，其轉(zhuǎn)錄水平會(huì)有所上升。Yoo等[33]根據(jù)辣椒CaODC1基因的研究提出 ODC基因可能參與不依賴于水楊酸，而依賴于茉莉酸或乙烯的抗病毒和細(xì)菌的途徑。關(guān)于ODC基因的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)也有報(bào)道，在煙草中組成型表達(dá)小鼠的ODC基因，提高了腐胺的含量，轉(zhuǎn)基因植物抗鹽性提高[34]，但是過(guò)高的ODC活性使得植物體內(nèi)腐胺過(guò)度積累，從而影響了植物的正常生長(zhǎng)[35]。也有實(shí)驗(yàn)顯示高表達(dá)的ODC 基因mRNA和酶水平并不能引起體內(nèi)多胺含量成比例的增高[36]，這也進(jìn)一步說(shuō)明了基因表達(dá)量的高低和酶活性的強(qiáng)弱同時(shí)受到其他許多因素的共同調(diào)節(jié)。

2.3 S-腺苷蛋氨酸脫羧酶基因

S-腺苷蛋氨酸脫羧酶 (SAMDC) 催化S-腺苷蛋氨酸生成脫羧S-腺苷蛋氨酸，為多胺的生成提供氨丙基。動(dòng)物SAMDC很早就被純化且基因得到鑒定，但由于植物與動(dòng)物的同源性較低，直到1994年Arif等[37]才在馬鈴薯上克隆出 SAMDC基因。隨后又在火炬松[38]、桃[13]等許多木本植物中得到克隆，林佳[39]從柑橘愈傷組織中分離獲得 SAMDC基因片段。植物的SAMDC基因有很長(zhǎng)的5′非翻譯區(qū) (5′-UTR)，其中有 2個(gè)重疊的開(kāi)放閱讀框 (uORFs) 即微小uORF和小uORF，小uORF在植物中是保守的，研究表明小 uORF編碼的多肽在多胺過(guò)多的情況下會(huì)抑制主uORF的翻譯，而在多胺水平過(guò)低的情況下，微小uORF可以抑制小uORF的表達(dá)，從而使得主uORF的得到翻譯，調(diào)節(jié)植物體內(nèi)多胺含量[40]，從SAMDC基因的翻譯調(diào)控模式可以看出它的翻譯調(diào)節(jié)對(duì)植物體內(nèi)多胺的穩(wěn)態(tài)有著重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，在低溫脅迫中、脅迫后的愈傷組織中 SAMDC的表達(dá)量均有上升，并且與膜受傷害程度的表現(xiàn)一致，這說(shuō)明在脅迫中愈傷組織通過(guò)提高 SAMDC的表達(dá)來(lái)提高體內(nèi)多胺的含量以適應(yīng)逆境環(huán)境，脅迫后 SAMDC表達(dá)量的提高可能是由于植物體為消除體內(nèi)過(guò)多的腐胺，減少腐胺對(duì)植物的毒害而作出的反應(yīng)。Waie和Rajam[41]將人類的SAMDC 基因轉(zhuǎn)入煙草，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植株的亞精胺和腐胺含量得到提高，不僅抗鹽、抗旱能力增強(qiáng)，而且抗真菌引起的萎蔫能力也得到增強(qiáng)。趙玲玲[42]將蘋(píng)果MdSAMDC2基因?qū)霟煵蒹w內(nèi)，提高了煙草的抗鹽性、抗寒性、抗旱性等非生物逆境的抗逆性。

2.4 亞精胺合成酶基因

亞精胺合成酶 (SPDS) 催化腐胺生成亞精胺，擬南芥中有 2個(gè)亞精胺合成酶基因，SPDS1和SPDS2，Imai等[43]通過(guò)T-DNA插入突變得到了這兩個(gè)基因的突變體，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)其中任何一個(gè)基因單獨(dú)發(fā)生突變時(shí)，植物仍能夠正常生長(zhǎng)，而當(dāng)2個(gè)基因同時(shí)突變時(shí)，對(duì)于胚胎是致死的，這說(shuō)明了 SPDS在植物胚胎發(fā)育中起著重要作用。SPDS基因的表達(dá)似乎受到脫落酸的調(diào)節(jié)，一方面SPDS基因的表達(dá)與脫落酸的含量相一致[46]，另一方面有實(shí)驗(yàn)表明在脫落酸缺乏的植物中，即使在脅迫下 SPDS基因的表達(dá)水平也不會(huì)提高[45]。SPDS基因與植物響應(yīng)逆境脅迫也有著密切的聯(lián)系，許多實(shí)驗(yàn)表明植物在受到干旱脅迫、鹽脅迫、低溫脅迫和重金屬脅迫時(shí)SPDS的表達(dá)量會(huì)增加[44-47]。近年來(lái)，SPDS的轉(zhuǎn)基因研究不僅在農(nóng)作物抗旱、抗寒、抗鹽、抗除草劑等多種抗逆性方面[48]，而且在林木抗逆性的研究上也取得了不少的成果。Wen等[49]將蘋(píng)果SPDS基因轉(zhuǎn)入西洋梨中，提高了內(nèi)源亞精胺的含量，在多種脅迫下表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗逆性。劉佳[50]將 MdSPDS1基因轉(zhuǎn)入柑橘，轉(zhuǎn)基因植株在逆境下的生理指標(biāo)檢測(cè)表明，MdSPDS1基因轉(zhuǎn)入柑橘后游離亞精胺含量和游離精胺含量占游離多胺總含量較對(duì)照提高，并能有效地提高轉(zhuǎn)基因植株對(duì)低溫逆境和高溫逆境的抗性。作者研究組成功地將 MdSPDS1基因轉(zhuǎn)入優(yōu)良毛白楊株系[51]，并證實(shí)轉(zhuǎn)基因毛白楊在濃度為200 mmol/L NaCl的培養(yǎng)基中能正常生長(zhǎng) (龍萃等，未發(fā)表資料)，還發(fā)現(xiàn)其具有更高的重金屬抗性 (龐曉明，未發(fā)表資料)。此外，劉婷婷[52]將蘋(píng)果MdSPDS1基因轉(zhuǎn)入煙草，轉(zhuǎn)基因植物體內(nèi)亞精胺含量增加，并且耐鹽性和抗煙草花葉病毒的能力均得到了提高。

2.5 精胺合成酶基因

精胺合成酶 (SPMS) 催化亞精胺與氨丙基結(jié)合生成精胺。SPMS與SPDS有著較高的同源性，系統(tǒng)進(jìn)化分析的結(jié)果顯示SPMS可能起源于SPDS[53]。SPMS被認(rèn)為能在高鹽和干旱脅迫下對(duì)生物體起保護(hù)作用[20,54]，植物受到干旱和高鹽等脅迫時(shí)，精胺高水平積累是一個(gè)普遍現(xiàn)象[55-57]。Yamaguchi等[58]在與野生型擬南芥比較干旱敏感性時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種精胺缺失突變體同樣對(duì)干旱超敏感，干旱超敏性僅可為外源精胺恢復(fù)，其他多胺如腐胺和亞精胺則不能，從而表現(xiàn)出精胺所特有的專一性。鹽脅迫導(dǎo)致精胺積累可歸因于 SPMS基因受鹽脅迫的誘導(dǎo)[18]，精胺可能是通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi) Ca2+的水平，排出細(xì)胞質(zhì)中過(guò)多的 Na+使植物適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境[59]，Imai等[60]通過(guò)T-DNA插入方法獲得并研究擬南芥SPMS基因缺失突變體 (spm-l) 和精胺合成酶基因雙突變體(acl5/spm-l )時(shí)發(fā)現(xiàn)，spms-1突變體中SPMS的表達(dá)量并不改變，即使經(jīng)過(guò)精胺處理 SPMS的轉(zhuǎn)錄水平也并未明顯降低，這說(shuō)明 SPMS的表達(dá)并不受精胺的反饋調(diào)節(jié)。SPMS的轉(zhuǎn)錄缺乏負(fù)反饋調(diào)控的原因可能是 SPMS對(duì)于正常生長(zhǎng)并不是必需的，也有可能是 SPMS的表達(dá)在轉(zhuǎn)錄后水平受精胺調(diào)控。在正常的營(yíng)養(yǎng)條件下 spm-l表現(xiàn)正常，acl5/spm-l除 ACL5突變引起矮化表型外，也能像野生型一樣完成整個(gè)生活周期，因而研究者認(rèn)為精胺不是擬南芥生存所必需的，至少在正常的生長(zhǎng)條件下不是必需的。

2.6 熱精胺合成酶基因

1997年，Hanzawa等[61]識(shí)別和鑒定了擬南芥ACAULIS5隱性突變體，此基因的突變是擬南芥acaulis5矮小的原因，之后有報(bào)道認(rèn)為ACL5基因是精胺合成酶基因[62]。最近研究發(fā)現(xiàn)，ACL5并不是精胺合成酶，而是熱精胺合成酶，它催化亞精胺生成熱精胺[63]。擬南芥 ACL5功能缺失突變體莖的伸長(zhǎng)具有嚴(yán)重的缺陷[62]。遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的研究均顯示，熱精胺可防止木質(zhì)部導(dǎo)管分子的過(guò)早成熟和死亡[66]，這也很可能是acl5突變體由于缺乏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸和木質(zhì)纖維支撐而表現(xiàn)矮小的原因。Hanzawa 等[64]利用RNA印跡研究發(fā)現(xiàn)，ACL5基因的表達(dá)受生長(zhǎng)素的正調(diào)控，并且鑒定了一個(gè)位于ACL5上游調(diào)控序列中的生長(zhǎng)素應(yīng)答順式作用元件，acl5突變體頂端分生組織的增殖和節(jié)間細(xì)胞伸長(zhǎng)受到抑制很有可能是由于 ACL5介導(dǎo)的應(yīng)答生長(zhǎng)素的途徑出現(xiàn)了問(wèn)題。Imai等[65]鑒定了顯性突變體sac51-d的相關(guān)基因，這個(gè)突變體幾乎可以完全恢復(fù)acl5的矮化性狀，原因可能是ACL5在激活SAC51翻譯中起作用，而SAC51的表達(dá)可能激活其他與莖伸長(zhǎng)有關(guān)的基因的表達(dá)。為了闡明 ACL5在維管發(fā)育過(guò)程中的作用，Mu?iz等[66]研究了擬南芥持續(xù)生長(zhǎng)階段有著明顯次生生長(zhǎng)的子葉下胚軸的維管組織，證明了 ACL5不僅在下胚軸和花序莖中表達(dá)，而且在某個(gè)特定的發(fā)育階段在木質(zhì)部導(dǎo)管分子中特異表達(dá)，這暗示了 ACL5在木質(zhì)部分化中起作用。Clay等[67]對(duì) ACL5基因突變體 tkv的研究發(fā)現(xiàn)，其葉片維管束增大，葉脈加厚，生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸受到影響。從 ACL5基因的功能來(lái)看，它對(duì)眾多的陸生植物的正常發(fā)育起著非常重要的作用。ACL5基因受熱精胺負(fù)反饋調(diào)控的機(jī)制至今尚不清楚，對(duì)于一系列 sac突變體以及相關(guān)基因的研究也許能夠幫助我們揭示 ACL5基因的功能模式。本實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功分離出毛白楊A(yù)CL5基因cDNA，并得到了12株表達(dá)量不同的 ACL5過(guò)表達(dá)煙草植株，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示 ACL5基因還與煙草不定根的形成有著一定的聯(lián)系 (劉穎和龐曉明，未發(fā)表資料)。

2.7 多胺氧化酶基因

多胺的氧化可以產(chǎn)生H2O2，H2O2在植物應(yīng)對(duì)生物脅迫中起到信號(hào)分子的作用，接種煙草花葉病毒的煙草細(xì)胞凋亡正是由多胺氧化產(chǎn)生的 H2O2介導(dǎo)的[68]。另外，多胺氧化產(chǎn)生的H2O2與植物發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞壁成熟、木質(zhì)化以及病原體入侵時(shí)傷口修復(fù)和細(xì)胞壁加固有密切聯(lián)系[8]，但是植物體內(nèi)過(guò)高的多胺氧化酶 (PAO) 活性產(chǎn)生的高水平的 H2O2不能實(shí)現(xiàn)對(duì)脅迫應(yīng)答基因的誘導(dǎo)[69]。植物PAO cDNA首先在單子葉植物玉米中分離出來(lái)[70]，2006年，Kitashiba等[71]在蘋(píng)果中分離出2個(gè)PAO cDNA，分別為MdPAO1和MdPAO2a，并且分析了它們的表達(dá)模式。在蘋(píng)果懸浮細(xì)胞中，MdPAO的表達(dá)在細(xì)胞成熟衰老時(shí)期最高，顯示這些基因的表達(dá)可能與細(xì)胞的成熟和衰老有關(guān)。Yoda等[32]分離了煙草的 PAO基因，建立了 RNAi細(xì)胞系，發(fā)現(xiàn)在此細(xì)胞系中多胺不降解，而是分泌到培養(yǎng)基中，H2O2的產(chǎn)生也極少，細(xì)胞凋亡受到抑制。

3 展望

多胺廣泛存在于生物體內(nèi)，它們?cè)谥参镏械暮铣赏緩揭呀?jīng)基本揭示，多胺的生理作用在分子水平上逐步得到闡明。在此基礎(chǔ)上，對(duì)多胺代謝途徑中關(guān)鍵酶基因的遺傳操作研究為闡明它們的功能提供了非常有價(jià)值的信息，對(duì)了解植物體內(nèi)不同種類多胺含量的平衡具有重要的意義，關(guān)于多胺分解代謝的研究將有助于我們對(duì)植物細(xì)胞內(nèi)多胺穩(wěn)態(tài)的了解[72-73]。近些年來(lái)發(fā)展的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)的研究方法將有助于人們揭示多胺在信號(hào)傳遞網(wǎng)絡(luò)中的重要作用。多胺代謝途徑中關(guān)鍵酶基因在植物體內(nèi)的過(guò)量表達(dá)能大幅提高植物的抗逆性，在植物抗逆境基因工程中具有重要的應(yīng)用前景。目前的轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)研究多數(shù)集中在植物對(duì)非生物脅迫的抗性上，對(duì)生物脅迫的研究較少，但是現(xiàn)有的工作還是取得了一些成果，這些研究表明在生物脅迫下多胺含量的變化可提高植物抗性，因此這方面的工作今后也許應(yīng)該受到更多的重視。另外，將對(duì)模式植物的研究結(jié)果推廣到其他植物中，取得田間實(shí)驗(yàn)的證據(jù)，是當(dāng)前通過(guò)調(diào)節(jié)多胺含量提高植物抗逆性育種的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

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Metabolic pathway of polyamines in plants: a review

Ying Liu1, Ying Wang2, Cui Long1, Zhiyi Zhang1, and Xiaoming Pang1
1 National Engineering Laboratory of Tree Breeding, Key Laboratory of Genetics and Breeding in Forest Trees and Ornamental Plants of Ministry of Education, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
2 Department of Bioengineering, Jinan University, Guangzhou 510632, China

Received: May 13, 2010; Accepted: October 20, 2010

Supported by: National Natural Science Foundation of China (No. 30872223), National High Technology Research and Development Program (863 Program) (No. 2009AA02Z111).

Corresponding author: Yigang Tong. Tel: +86-10-66948407; E-mail: tong.yigang@gmail.com

國(guó)家自然科學(xué)基金 (No. 30872223)，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (863計(jì)劃) (No. 2009AA02Z111) 資助。