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把斧子卖给小布什 摘要：茄科蔬菜遗传背景狭窄，通过杂交选育获得高含量有益代谢物和高抗等育种材料，利用分离遗传体作图挖掘目的基因或QTL存在一定局限性，诱变育种是创新种质的重要途径。在茄科蔬菜中已筛选出花青素和绿原酸等苯丙烷类代谢产物的EMS突变体和候选基因，但一些作物的转基因体系尚未成熟，多数基因功能与遗传机制尚未明确。 关键词：茄科蔬菜苯丙烷类代谢；酶基因
随着次生代谢产物在医药、食品、轻化工等领域的广泛应用，其物质的种类、代谢途径，以及代谢机理等相关问题亦倍受研究者关注，是植物生理学、植物化学等众多学科的主要研究内容之一。植物次生代谢物的产生和分布通常有种属、器官组织和生长发育期的特异性。
一、苯丙烷类
苯丙烷类或其衍生物广泛分布于约250 000种维管植物中，结构迥异，种类繁多，广泛参与调节生长发育、繁殖和防御等各种植物生理活动。黄酮类化合物泛指由2个芳香环（A和B）通过中央三碳链相互连接而成的以苯酮环为基础结构的一系列化合物，目前已发现4500多种异型分子，苯丙烷类化合物生物合成的起始分子为芳香族氨基酸，即苯丙氨酸和酪氨酸。研究表明，在大多数植物苯丙烷类化合物代谢途径中包含两个基本途径，即莽草酸途径和丙二酸途径。莽草酸途径主要参与高等植物的苯丙烷类代谢，丙二酸途径则为真菌或细菌的合成途径。在高等植物体中，通过莽草酸途径可将赤藓糖-4-磷酸（磷酸戊糖途径）与磷酸烯醇式丙酮酸（糖酵解途径）结合经中产物莽草酸（故名为“莽草酸途径”）转化为芳香族氨基酸———苯丙氨酸和酪氨酸。这两种芳香族氨基酸为苯丙烷类化合物生物合成的起始分子。例如，拟南芥细胞中的查耳酮合酶、查耳酮异构酶、黄烷酮-3-氢氧化酮酶和二氢黄酮醇还原酶之间相互联系形成多酶复合体，黄烷酮-3-氢氧化酮酶、肉桂酸-4-羟基化酶、阿魏酰-5-羟基化酶等细胞素P450酶多充当细胞膜“锚”的作用，将相关的酶组装固定在内质网膜上，从而构成了此类代谢途径的代谢频道。研究表明，苯丙烷代谢途径中PAL、CHS、芪合酶、异黄酮合酶等为形成特定立体结构的专一性酶，对底物具有较强的专一性。在大多数维管植物中苯丙氨酸是PAL偏爱的底物，但只有单子叶植物的PA
马绿家
L才可以同时利用苯丙氨酸和酪氨酸。黄烷酮-7-O-甲基转移酶、异黄酮-4-O-甲基转移酶、异黄酮（异黄烷酮）二甲烯丙基转移酶等为该途径的结构修饰酶类。PAL、肉桂酸-4-羟基化酶、4-香豆酰-C oA-连接酶是苯丙烷类合成途径中的限速酶，位于代谢途径的分支点或者合成途径的下游，负责合成广义酚类物质的一般合成前体。PAL是一种诱导酶，可受到多种因素的诱导。如低温、机械损伤、病原菌感染、光、毒素处理、昆虫取食等都可诱导PAL基因的表达，王莉等利用不同光质条件对长鞭红景天悬浮培养细胞进行较长时间的辐射处理，并检测其PAL 活性的变化，通过比较分析得知长时间的红光处理有利于PAL酶活的提高。CHS是将苯丙烷类代谢途径引向黄酮类合成的第一个酶，该酶基因的表达也会受到病原菌的诱导，其活性受到植物激素、营养水平、光照、病原菌及机械损害等的影响。PAL位于初生代谢和次生代谢分界处，因此被定位为是苯丙烷类化合物代谢的中心酶。植物中，编码PAL的基因为单基因或一个多基因家族。分支酸（chorism ic acid）是莽草酸途径的重要枢纽物质，将代谢分为氨酸合成方向及苯丙氨酸（和酪氨酸合成方向。
铵根离子
二、茄科蔬菜苯丙烷类代谢及相关酶基因研究进展
1.苯丙氨酸在苯丙氨酸解氨酶作用下脱去氨基形成反式肉桂酸，并在肉桂酸一4一羟
松香甘油酯化酶作用下羟基化形成反式一4一香豆酸，然后分别在香豆酸一3一羟化酶，4一香豆酸辅酶A连接酶、乙酰转移酶、查尔酮合成酶等酶作用下进入木质素合成、绿原酸合成以及黄酮类化合物（花青素、原花青素、芦丁）合成的代谢途径。苯丙氨酸解氨酶（PAL）是苯丙烷类代谢途径的起点酶。其与植物的抗性密切相关。已有研究报道，在马铃薯接种晚疫病菌、茄子接种黄萎病菌和辣椒接种白粉病菌前后，苯氨酸解氨酶活性变化和植株抗性呈正相关关系。在拟南芥中，苯丙氨酸解氨酶由一个包含4个成员的小基因家族编码而成，记为尉三J～PAL4。在针对PAL基因突变体的研究中发现双突变体中由于种皮缺乏丹宁酸而表现黄，且与野生型。相比对紫外线B的反应更为敏感；而突变体则表现为生长受阻且不育。通过数据库搜索和BLASTP等方法，得到番茄的、马铃薯的和辣椒的编码氨基酸序列。在辣椒中，叶片感染无毒性黄单胞菌诱导CaPALl基因正调控水杨酸防御信号发挥作用。通过基因沉默及过表达CaPALl基因发现，沉默CaPALl的辣椒对无毒及有毒黄单胞菌的易感性增加。在拟南芥中过表达CaPALl基因，植株对番茄丁香假单胞菌及活体营养型卵菌的抗性均增加。肉桂酸一4一羟化酶（C4H）属细胞素P450超家族CYP73A亚家族，是第一个被鉴定的植物P450单加氧酶。目前至少有50种植物的C4H基因被克隆。在转基因番茄中同源表达C4H基因，其茎部木质素含量降低，果实黄酮类物质及绿原酸含量增加，
说明在木质素合成途径中起到控制流量的作用。4一香豆酰一CoA连接酶位于苯丙氨酸代谢途径终端位置，是连接木质素合成、绿原酸合成及黄酮类物质合成代谢等下游分支途径的关键酶。利用酶纯化及cDNA文库筛选的方法，在欧芹中首次合成4CL基因，对马铃薯两个4CL基因结构、表达模式及其假定的顺式作用元件进行比较发现，两个4CL基因的核酸和蛋白结构基本完全相同，导致其表达模式没有差异，但4CL的不同构型在代谢中起到的作用不同。在番茄中，利用酵母细胞表达苯丙烷类合成关键酶，筛选出番茄4CL不同构型变异，结果发现，野生型4CL酶会受到下游产物黄酮醇柚皮素的抑制，而至少两个变异类型对黄酮醇柚皮素反应不敏感。番茄4CL基因序列全长3．6kb，包含有5个外显子和4个内含子区域，而茄子上发现SmFL38N19A可能为4CL基因；最近有研究报道，番茄且更多地作用于木质素合成而非黄酮类物质形成。
2.日益成熟的植物基因工程技术和苯丙烷类代谢产物重要应用价值的不断阐明，促进了苯丙烷类代谢途径基因工程的研究。由苯丙氨酸解氨酶催化苯丙氨酸脱氨形成肉桂酸，进而转化为木质素单体的一系列过程被公认为苯丙烷类化合物代谢的中心途径。苯丙烷中央代谢途径及类黄酮和异黄酮合成支路均以代谢频道存在。目前，主要的研究策略体现在关键酶基因工程及调节基因或转录因子基因工程等方面，为提高限速酶活性或引入新的苯
丙烷类代谢途径奠定了理论和技术基础。例如，将IOMT基因与 连接后转入苜蓿，可使其合成苜蓿素的速度较对照快，产量高，抗病水平显著提高。将花生芪合酶基因转入含反应底物的烟草细胞，可使外源基因表达并启动新途径合成芪类化合物，提高转基因植物的抗病水平。将拟南芥的IFS 基因转入烟草和玉米等非豆科植物，可将柚皮素转化为染料木黄酮、大豆黄素（仅存在于豆科植物体中）等异黄酮类植保素。此外，可通过反义基因的遗传转化抑制部分关键酶基因的表达，降低饲料和树木中木质素的含量，提高饲料的饲用价值和木材的造纸质量和效益，或通过CCoAOMT 反义基因的遗传转化，有效降低转基因烟草中木质素的含量。
综上所述，植物次生代谢途径的基本框架已初步探明，在代谢途径分子调控及代谢工程的研究方面也已取得了不少进展，但是一些限速步骤及同功酶的研究资料较少，转基因植株有效成分的安全性及有效性还尚未明确。随着生物科学研究的深入，一些未知代谢机制将被进一步揭示，以为植物次生代谢的正确定位和药用植物资源保护与可持续利用方案的制定等奠定理论基础。
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