武汉植物学研究2007,25(5):500～508Jou r na l of W uhan B ot an ical R esearch植物次生代谢物途径及其研究进展王莉1,2,史玲玲1,张艳霞1,刘玉军1*(1.北京林业大学生物科学与技术学院,北京 100083;2.西藏民族学院医学系,西藏咸阳 712082)摘 要:植物次生代谢是植物在长期进化过程中与环境相互作用的结果,由初生代谢派生。
萜类、生物碱类、苯丙烷类为植物次生代谢物的主要类型,其代谢途径多以代谢频道形式存在,具有种属、生长发育期等特异性。
从植物次生代谢物的分类、代谢途径及代谢调控基因工程等方面展开论述,重点介绍了次生代谢物的生物合成途径,以及利用基因工程等技术对植物次生代谢途径进行遗传改良等方面的研究进展,为全面认识植物代谢网络、合理定位次生代谢及其关键酶、促进野生植物资源可持续利用等提供理论依据。
关键词:次生代谢;代谢频道;调控机制;限速酶中图分类号:Q946.8 文献标识码:A 文章编号:1000-470X(2007)05-0500-09B i osynthesis and R egulati on of the SecondaryM etabolites i n P l antsWANG Li1,2,S H I Ling-Ling1,ZHANG Yan-X ia1,LI U Yu-Jun1*(1.Co ll ege o fB iol og ical S cie nce and B i otec hno l ogy,B eiji ng Forest ry Un i versit y,Beijing 100083,Ch i na;2.D e part m en t ofMed i ci ne,Ti bet In s tit u t e for Nati ona lities,X i anyang,T i bet 712082,Ch ina)Abst ract:P l a nt secondar y m etabolis m is r esu lt e d fro m interacti o ns bet w een plan ts and envir on m ents dur-i n g the long-ter m evo l u tion pr oce ss,and is de rived fro m t h e so-called pri m ar y m e tabo lis m.Terpenoids,al-kalo i d s and pheny lpr opanoids are the m ai n t h r ee types of p lant secondar y m etabolites,t h eir m etabo lic pathw ays m ostly exist in a w ay ofm etabo lic channels,and t h e pa t h w ay s po ssess characte ristics o f the spe-cies,the genus and t h e phase o f gro w t h and developm en.t The p r esent pape r carried out discussions on the classification of p lant seconda r y m e tabo lites,the m e tabo lic pathw ays and t h e gene eng i n ee ring ofm etabo lic r egu l a ti o ns.In order t o pr ovide t h eo r e tica l bases fo r co m pr ehensi v e l y understanding t h e plantm e tabo lis m net w or k,the ir r easonab l e positioning o f secondary m e tabo lis m and its key enzym es,and for sti m ulating the sustainab le exploration o fw il d p lant r esources,the d iscussions we r e e mphasized on biosynthe tic pathw ays of t h e secondar y m e tabo lites and so m e o ther aspects including gene tic i m pr ove m ent stra t e gies on plan t secondar y m e tabo lic pa t h w ays by using gene-engineeri n g techno logy.K ey w ords:Secondary m etabolis m;M e tabo lic channe l;Regu lation m echanis m;Rate li m iti n g enzym e 植物次生代谢(secondary m e tabo lis m)是由初生代谢(pri m a r y m e tabo lit e)派生的一类特殊代谢过程[1](见图1),是植物在长期进化中与环境相互作用的结果。
近来的研究发现,植物次生代谢物(sec-ondar y m e tabo lite)在植物生命活动的许多方面均起着重要作用,且部分是植物生命活动所必需的[2]。
例如,吲哚乙酸、赤霉素直接参与生命活动的调节;木质素为细胞次生壁的重要组成成分;叶绿素、类胡萝卜素等萜类物质作为光合色素参与光合作用过程等[3]。
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。
目前其分类方法主要有如下三种:①根据化学结构不同,分为酚类、萜类和含氮有机物等[4];②根据结构特征和生理作用不同,分为抗生素(植保素)、生长刺激素、维生素、色素、生物碱与植物毒素等;③根据其生物合成的起始分子不同,分为萜类、生物碱类、苯丙烷类及其衍生物等三个主要类型。
笔者将按第三种分类方法对其物质种类、代谢类型等方面的研究进展进行概述。
收稿日期:2007-02-09,修回日期:2007-09-20。
基金项目:西藏自治区科技厅重大项目(2002-66)资助。
作者简介:王莉(1972-),女,讲师,理学博士,研究方向为药用植物学。
*通讯作者(E-m ail:y jli u@)。
实线部分为初生代谢,虚线部分为次生代谢S oli d li nes descri be t h e pri m ary m et abo li s m and das hed lines the secondar y metabolis m图1 植物初生代谢与次生代谢的关系(改自文献[5])F ig.1 Re lati onships be t w een t he pri m a ry me tabo lis m and t he secondary m e tabolis m in p l ants1 萜类化合物萜类化合物(perpenoid)是所有异戊二烯聚合物及其衍生物的总称[6],以异戊烷五碳类异戊二烯为基本单位,又称类异戊二烯(isopreno id),以侧链重复连接方式递增,分开链类和环萜类两种。
开链型类萜的分子组成通式为(C5H8)n,包括半萜(C5,即含一个异戊二烯单位,n=1)、单萜(C10,n=2)、倍半萜(C15,n=3)、双萜(C20,n=4)、三萜(C30,n= 6)、四萜(C40,n=8)、多萜(>C40,n>8)及杂萜(含异戊二烯侧链)等。
环萜型类萜因分子内碳环数的不同,可分为单环萜、双环萜、三环萜等。
半萜、单萜及其简单含氧衍生物是挥发油的主要成分;双萜是形成树脂的主要成分;倍半萜是萜类的最大一族,约有7000多种,作用广泛;二萜、三萜多以皂甙形式存在。
双萜类以上也称“高萜类化合物”,一般不具挥发性。
植物萜类广泛分布于植物、微生物的初级代谢物和次级代谢物中[7]。
1.1 萜类化合物的生物合成萜类化合物的生物合成过程从属于异戊二烯代谢途径,总体可分为四步:(1)前体物质异戊烯焦磷酸(isopenteny l diphosphate,I PP)的合成:I PP或二甲丙烯焦磷酸(d i m ethy lally l diphospha t e,DMAPP,I PP的异构化产物)为萜类合成的基本前体,合成途径有两条,即甲羟戊酸途径(m eva l o nic aci d pa t h w ay,MVA pa t h w ay)和甘油醛磷酸/丙酮酸途径(3-phospha t e g l y ceralde-hydes/py r uvate pathw ay,o r1-Deoxy-D-xy l u l o se5-pho s-phate pat h w ay,DXP pa t h w ay)(见图2)。
经典的MVA途径存在于胞质和内质网中,3-羟基-3-甲基戊二酸单酰Co A还原酶(3-hydroxy-3-m ethy l-g l u tar y l Co A reductase,H MGR)为该途径的第一个限速酶[8];DXP途径存在于质体中,参与此途径的两个限速酶分别是1-去氧木糖-5-磷酸合成酶和1-去氧木糖-5-磷酸还原酶[9]。
此外,线粒体亦可通过MVA途径产生泛醌异戊二烯基团,是第三类I PP生物合成区室。
I PP合成途径的区室化特征可能与萜类代谢亚细胞水平特异性有关。
(2)异戊二烯焦磷酸同系物的产生:I PP在异戊烯基转移酶的作用下发生亲电子延伸反应,使相应的中产物通过C5单位头对尾、头对头等方式连续加成形成异戊烯焦磷酸同系物。
如法呢基焦磷酸、牻牛儿基焦磷酸、牻牛儿牻牛儿基焦磷酸等烯丙焦磷酸酯类物质,是构成各类萜化合物的直接前体。
异戊烯基转移酶催化亲电耦合反应的过程为丙烯基焦磷酸酯首先离子化,再和IPP的末端双键反应形501 第5期 王莉等:植物次生代谢物途径及其研究进展虚线表示由多步反应完成Das hed lines rep res ent t h at it consists of actions more t h an one图2 植物萜类生物合成的两条途径(改自文献[5]) F i g.2 Two path w ay s o f te rpeno id biosyn t hesis i n plan ts成一个第3位C的阳离子化合物,最后脱去一个质子完成反应。