植物次生代谢研究陈晓亚(中国科学院上海生命科学研究院,植物生理生态研究所,上海200032)摘要:次生代谢是植物重要的生命活动,与植物的生长发育及其对环境的适应密切相关。

同时次生代谢产物也是重要的药物和化工原料来源。

次生代谢过程及代谢物的积累受到自身和环境中各种生物和非生物因素的调控。

随着基因组和代谢组等组学技术的产生和发展,植物次生代谢研究获得了前所未有的机会。

通过对代谢过程的深入了解,利用系统生物学方法开展预见性代谢工程将会成为未来的研究趋势。

关键词:次生代谢植物生长系统生物学代谢组学Plant Secondary MetabolismCHEN Xiaoya(Institute of Plant Physiolog y and Ecology,Shanghai Institutes for Biological Sciences,Chinese Academy of Sciences,Shanghai200032)Abstract:Secondar y metabolism is an unique part of plant life characteristics,which ar e cr itical for not only the gro wth and development of plant individuals,but also the adaptations.Secondary metabolites ar e also important resources for medicinal,and other chemical industr ies.Besides the temporal and spatial regulations by t he plant,secondary metabolism pathw ays and the accumulation of end products are also affected,sometimes decisively,by t he biotic and abiotic signals from the enviro nment.With the dev elopment of modern g enomics,proteo mic,and metabolomics,unprecedented oppor-tunities are ready for plant secondary metabo lism research.With the accumulation o f in-depth studies,pr edictive metabolic eng ineering,with the guidance of systems biolog y,w ill be a key issue for future research.Key words:secondary metabolism,plant,gr owth,systems biolog y,metabolomics植物通过光合作用捕获光能,通过代谢将简单无机物转化为复杂有机物,为地球上的生物圈提供氧气、能量和有机物质。

代谢是生物的主要特征之一,是生理学研究的重要内容。

1植物次生代谢研究的意义植物和微生物能够合成大量次生代谢产物(secondary metabolites),又称天然产物。

这些小分子有机物在植物类群中特异性分布,往往不是细胞正常生命活动所必需的。

据估计,植物次生代谢产物在10万种以上,包括萜类、酚类(黄酮类、花色苷)、生物碱、多炔等,它们都是由初生代谢途径衍生而来的。

次生代谢是在植物长期演化过程中产生的,与植物对环境的适应密切相关,并非可有可无。

从功能上看,许多物种的生存已离不开这些天然产物。

例如虫媒植物的生长并不需要昆虫,但离开了昆虫授粉则无法完成世代交替。

而吸引昆虫的往往就是这些次生代谢产物)))具有气味的挥发性物质或表现出颜色的花色苷类或胡萝卜素类。

由此可见,植物天然产物在功能上并不总是处于次要地位。

越来越多的工作显示,次生代谢与植物的抗性与品质紧密相关,植物对病害和虫害的抗性在很大程度上取决于细胞内植保素的合成调控。

无论是作为药物、化妆品或是调味品,人类对次生代谢物的利用都有数千年的历史。

中国有丰富的植物资源,而中药更是祖先留下的瑰宝。

虽然植物化学和次生代谢的研究工作似乎是波澜不惊,但是一旦有所发现往往能够对人类的健康生活带来巨大的改善。

例如,我国科学家首先从中药青蒿(Ar temisia annua)中分离得到的青蒿素,迄今仍是最有效的抗疟药物。

地球上被子植物有约400科,10000多属,近30万种。

大多数的属在次生代谢途径上或多或少有所特异。

30万种植物的次生代谢产物是一个巨大的宝藏。

在基因组学、代谢组学和转基因技术等快速发展的今天,我们有必要对一些重要次生代谢产物的代谢途径及其调控进行深入研究,通过各种技术第28卷2006年10月第5期1-4页世界科技研究与发展WORLD SC I-TEC H R&DVol.28Oct.2006No.5pp.1-4手段,更合理有效地发掘利用并保护我们的植物资源。

2近年来取得的重要进展2.1代谢途径的阐明次生代谢产物结构的基本骨架形成之后,往往经过甲基化、羟基化等修饰生成各种终产物。

经过长期的研究积累,人们对代谢途径的主干部分(为次生代谢提供底物的初生代谢途径)已经基本了解,例如酚类的莽草酸途径,萜类的异戊二烯二磷酸(IPP)途径等。

被子植物中一些相对保守的次生代谢途径也得到了很好的研究,如黄酮类、木质素的生物合成与调控。

然而,对次生代谢最丰富最神奇的部分)))特定产物合成与积累的过程,还所知甚少。

在众多次生产物中,人们对紫杉醇、一些茄科植物的生物碱、豆科植物(如Medaicago truncatula)异黄酮、长春花吲哚生物碱、以及棉酚等生物合成途径进行了比较深入的了解,而绝大多数次生代谢途径尚未触及,或研究工作刚刚开始。

我们课题组在棉花倍半萜成分)))棉酚生物合成途径研究中获得系统性结果,克隆了棉酚代谢途径中的法尼基二磷酸合酶,(+)-D-杜松烯合酶, (+)-D-杜松烯-8-羟化酶[1~4]。

这三个酶催化从5碳原子的异戊二烯前体到8-羟基杜松烯的3步连续的反应。

(+)-D-杜松烯-8-羟化酶为细胞色素P450单加氧酶,杜松烯的8位羟基化反应是棉酚等倍半萜醛类形成的关键步骤,它是细胞色素CYP706家族中首先鉴定出功能的酶。

2.2新的研究方法与思路2.2.1遗传学模式植物拟南芥遗传操作体系的建立大大推动了现代植物生物学的发展,包括次生代谢及调控的研究。

拟南芥种皮积累色素,呈棕褐色,相关基因的突变极易产生可见表型。

通过大量突变体的筛选和分析,拟南芥苯丙烷类途径已经基本弄清,一些重要调控因子也已经得到鉴定。

与此相似,拟南芥木质素途径和葡萄糖硫苷途径也有了相当深入的研究。

对玉米、金鱼草和矮牵牛等植物的分子遗传学研究也导致了一些重要次生代谢途径酶的发现及其调控基因的克隆[5]。

近十年来基因组信息大量涌现,拟南芥、水稻的全基因组测序已经完成或基本完成。

不仅许多物种已经有了大量EST序列,为一种生物制作相当数量的EST也不再是一种奢侈。

技术的进步使得通过生物信息学和反向遗传学研究代谢成为可能。

对拟南芥、水稻基因组序列的注释让我们有可能知道它们在某个代谢途径上到底有多少个酶基因。

比如拟南芥萜类合酶基因总共超过30个[6-7],水稻则有十多个,这使研究工作可以有的放矢。

然而,次生代谢的一个重要特征是具有很强的类群(科属)特异性,模式植物的代表性十分有限。

2.2.2代谢组学基因组学、功能基因组学和化学分析技术的发展,催生了一门新的学科)))代谢组学(metabolom ics)。

代谢组学涉及许多新方法、新概念和新思路,这里仅作扼要介绍。

代谢组学旨在研究某个生物体或某个组织甚至单细胞的全部代谢物及其动态变化[8-9]。

就当前的仪器分析水平而言,这是一个无法完成的任务,而次生代谢产物的存在使得植物代谢成分高通量全面(comprehensive)分析更加困难。

因此,有学者提出代谢组学应当重新定义,应当指对特定条件下代谢表型(metabolic pheno-types),以及这些表型与基因型之间的联系的研究[10]。

转录组、蛋白质组和代谢组是功能基因组的三个主要组成部分。

这一新兴领域的诞生,不仅呼唤化学分析技术的新突破,也使得/组学0的方法与思想渗透到传统的生理学,将生理学纳入功能基因组学的轨道[11]。

在医学领域,代谢组学可能为疾病的预测、预防和早期诊断带来革命[12];在农业上,代谢组可直接反映农作物的生理状况和农产品品质性状(尤其是营养价值)。

最近,国外学者已经提出用系统生物学和代谢组学的观念与方法研究传统中草药[13]。

2.2.3代谢调控网络转录因子对植物的发育、生长和代谢起重要的调控作用。

代谢调控研究最为深入的是黄酮类途径,许多转录因子已经克隆[14],一些靶基因也得到了鉴定。

有趣的是,表皮毛、根毛的发育调控途径和黄酮类途径共用一些或一类转录因子,如M YB (C1),bH LH(R,GL3)和WD40(TTG1)等。

萜类途径转录因子的报道很少。

长春花OR-CA3是一个茉莉酸响应的AP2-域转录因子,正向调控萜类吲哚生物碱合成途径[15]。

我们课题组分离了棉花的茉莉酸响应WRKY转录因子GaWRKY1,该因子可与(+)-D-杜松烯合酶基因院士论坛世界科技研究与发展2006年10月CAD1-A启动子结合并激活转录,从而参与棉酚生物合成途径的调控[16]。

植物次生代谢在植物对环境的适应过程中起重要作用,受到生物和非生物因子的调控。

光信号直接或间接控制着植物体内大多数的代谢进程,包括异戊二烯途径[17]。

已知番茄DET1参与果实中胡萝卜素类生物合成的调控,DET1是光信号的负调控因子。

青蒿的单萜[18]和倍半萜合成也受到光信号或生物节律的调控。

病原菌、共生菌或其激发子能够诱导植物次生代谢物的合成与积累,这是植物-微生物相互作用的普遍特征。

植物抗病反应伴有植保素(phytoallex ins)的产生,水杨酸常常是这个诱导途径的信号分子。

昆虫取食、机械损伤诱导植物次生代谢物的合成和挥发性成分的释放,已知脂类信号分子茉莉酸参与这个诱导过程。

Volicitin是甜菜夜蛾(Sp odop tera ex igua)幼虫口器分泌的脂肪酸-氨基酸衍生物,这类化合物能够诱导植物产生具有活性的7-epi-茉莉酸和挥发性成分。

玉米中的volicitin受体蛋白已经分离[19]。