第一章 植物脂氧合酶的研究进展 1 第一章 植物脂氧合酶的研究进展 缩写 LOX lipoxygenase 脂氧合酶; 9-H(P)OD (10E,12Z)-9-hydro(pero)xy-10,12-octadecadienoic acid AOS allene oxide synthase 氧化丙二烯合酶; (10E,12Z)-9-(过氧)羟基-10,12-十八碳二烯酸; AOC allene oxide cyclase 氧化丙二烯环化酶; 9-H(P)OT (10E,12Z,15Z)-9-hydro(pero)xy-10,12,15-octadecatrienoic acid HPL hydroperoxide lyase 过氧化氢裂解酶; (10E,12Z,15Z)-9-(过氧)羟基-10,12,15-十八碳三烯酸; DES divinyl ether synthase 联乙烯醚合酶; 13-H(P)OD (9Z,11E)-13-hydro(pero)xy-9,11-octadecadienoic acid POX peroxygenase 过氧酶; (9Z,11E)-13- (过氧)羟基-9,11-十八碳二烯酸; HPLC high performance liquid chromatography 13-H(P)OT (9Z,11E,15Z)-13-hydro(pero)xy-9,11,15-octadecatrienoic acid 高效液相; (9Z,11E,15Z)-13- (过氧)羟基-9,11,15-十八碳三烯酸; CP-HPLC chiral-phase HPLC 手性-HPLC 13-HPOT(γ) (6Z,9Z,11E)-13- hydroperoxy-6,9,11- octadecatrienoic acid RP-HPLC reversed-phase HPLC 反相-HPLC (6Z,9Z,11E)-13-过氧基-6,9,11-十八碳三烯酸; SP-HPLC straight-phase HPLC 正相-HPLC 9,16-diH(P)OT LC/MS liquid chromatography mass spectrometry (10E,12Z,14E)-9,16-dihydro(pero)xy-10,12,14-octadecatrienoic acid 液相色谱质谱联用计 (10E,12Z,14E)-9,16-二(过氧)羟基-10,12,14-十八碳三烯酸; GC/MS gas chromatography mass spectrometry 15-HPETE 气相色谱质谱联用计 (5Z,8Z,11Z,13E)-15-hydroperoxy-5,8,11,13-eicosatetraenoic acid 12-oxo-PDA 12-oxo-10,15-phytodienoic acid (5Z,8Z,11Z,13E)-15-过氧基-5,8,11,13-二十碳四烯酸; 12-氧-10,15-植二烯酸; 8,15-diHPETE 12,13(S)-EOD (5Z,9E,11Z,13E)-8,15-dihydroperoxy-5,9,11,13-eicosatetraenoic acid (9Z,13S)-12,13-epoxy-9,11-octadecadienoic acid (5Z,9E,11Z,13E)-8,15-二过氧基-5,9,11,13-二十碳四烯酸. (9Z,13S)-12,13-环氧-9,11-十八碳二烯酸; 12,13(S)-EOT (9Z,13S,15Z)-12,13-epoxy-9,11,15-octadecatrienoic acid (9Z,13S,15Z)-12,13-环氧-9,11,15-十八碳三烯酸;

一 前言 脂氧合酶(LOX；EC 1.13.11.12)是含有非血红素离子的双加氧酶，广泛存在于需氧生物中，包括植物、动物和低等水生生物（Hartmut KÜhn & Astrid Borchert，2002）。最近发现，在真菌(Bisakowski et al，1997；Su & Oliw，1998)-和细菌(Porta & Rocha-Sosa，2001)中也存在脂氧合酶。根据酶学分类，将LOX定义为亚油酸根：氧 氧化还原酶，它催化含（Z,Z）-1,4戊二烯结构单元的不饱和脂肪酸的加氧反应，产生不饱和脂肪酸的过氧化物（Alexander Grechkin，1998）。LOX启动合成的一系列环状或脂肪族化合物，统称为氧脂（oxylipins），它们在植物的生长发育过程中以及在植物对环境胁迫反应中起着重要的作用（Helena Porta & Mario Rocha-Sosa，2002），一般将此代谢过程称之谓LOX途乳突果组培苗中脂氧合酶基因的诱导及克隆 2 径或十八碳酸途径。 每个LOX蛋白分子含有一个非血红素铁原子(Fe-LOX)。对大豆（soybean）LOX-1的研究发现，只有含三价铁离子（Ⅲ）的LOX有催化活性，化合价由无活性的二价铁离子（Ⅱ）变为有活性的三价铁离子（Ⅲ）的过程是过氧化物依赖的（Alexander Grechkin，1998）。最近发现，一种小麦根的病原真菌（Gaeumannomyces graminis）分泌Mn-LOX。与Fe-LOX相比, Mn-LOX具有以下特征：糖基化的Mn-LOX结合于凝集素；具有广泛的pH值范围；对热稳定；相对于Fe2+而言，Mn2+在化学反应中更加稳定；Mn-LOX可将亚油酸和亚麻酸氧化为两种产物——11S-和13R-过氧基脂肪酸(Su & Oliw，1998)。 在植物中，亚油酸和亚麻酸是LOX最常见的底物（siedow，1991）。氧可加在亚油酸碳氢链的第九位碳原子上，也可加在第十三位碳原子上，因此将植物LOX分为9-LOX和13-LOX（Brash，1999）。后来，又提出了一种更为全面的分类方法，即根据它们的一级结构将其分为两类：І类LOX总序列相似性为～70％，其编码的酶缺少一段叶绿体运输肽。大多数的植物LOX可归为这一类。Ⅱ类LOX总序列相似性为～40％，一般认为在其N端带有一段叶绿体运输肽。Shibata等 （1994)从拟南芥、水稻、小麦、大麦、土豆、番茄和烟草中分离了此种类型LOX的cDNAs。 植物脂氧合酶是一个多基因家族,存在着同工酶，不同的发育阶段及不同的胁迫作用可诱导相应基因的表达。例如，在土豆中，LOX多基因家族编码9-和13-LOX，根据它们的序列同源性可分为不同的类型(Cornelia Göbel et al ,2002):类型І包括编码块茎和根特异性表达的9-LOX基因(Geerts et al，1994；Casey，1995；Royo et al，1996)，在受病原菌感染的叶片中也检测到了9-LOX基因的转录(Fidantsef & Bostock，1998)；类型Ⅱ和Ⅲ为伤、茉莉酮酸酯和脱落酸诱导的在叶片中特异表达的13-LOX(Royo et al，1996)；另外，有报道从红皮土豆块茎中克隆了5-LOX基因(Xiaoyan Chen et al，1998)。 近年来，由于众多研究群体的努力，我们对LOX和氧脂的作用了解的越来越多。许多植物的LOX基因已被克隆，这为研究它们之间的系统进化关系，阐明基因序列、结构以及位置特异性和活性之间的关系提供了可能。同时，在过去的二十年中，有关LOX途径的生化研究也取得了很大进展。本文将对脂氧合酶基因的第一章 植物脂氧合酶的研究进展 3 表达调节及其参与的代谢途径作一简单概括。 二 植物脂氧合酶基因的表达调控 可以说，LOX基因的表达贯穿于植物生活史的整个过程。一方面，在植物生长发育的各个阶段，包括种子的萌发、块茎的形成、结节的发育、果实的成熟以及植物体的衰老，都存在着相应LOX基因的表达(Helena Porta & Mario Rocha-Sosa ，2002)；另一方面，在自然生长环境中，植物体要面临许多环境胁迫因素，如机械刺激、虫咬、缺水、病原感染、高温或低温、氧胁迫和紫外辐射等都可诱导单个或多个LOX基因的表达（Alexander Grechkin，1998）。其次，外源诱导子，如几丁质、水杨酸、茉莉酸甲酯等也可诱导LOX基因的表达，这些诱导子，多为病原体的组成成分或者是LOX代谢途径的组分。 植物具有感知特异信号的能力，对外界信号的特异识别可引发植物产生“免疫反应”。那么，这种信号是如何“传递”到植物体，又如何诱导特异LOX基因表达的呢？现在已经初步了解，细胞中确实存在一些机制，能将不同的信号传导分子有机的组织起来，使之参与不同的刺激反应。这些机制一方面将信号分子限定在特定的胞质区域以形成特定的信号网络来有效、精确的对刺激作出反应；另一方面靠各个信号在转导途径中的相互衔接，发生级联反应的信号分子之间的相互作用来特异激活下游的转录因子，进而调控特异基因的表达(孙大业等，2001)。 下面以病原体诱发的植物防御反应为例，来说明植物是如何识别外界信号并保持信号转导途径的特异性的。对于高等植物而言，病原包括真菌、细菌和病毒。当病原侵染宿主植物体时会分泌一些水解酶来消化植物细胞壁，这样病原菌就可以进入植物组织中，从而引发植物细胞的防御反应(Salmond，1994；Walton，1994)。这些降解细胞的酶和来源于宿主或病原菌的细胞壁成分也可诱发抗病基因的表达，抵抗病原的侵袭(Davis & Hahlbrock，1987)。病原菌诱导的特异的防御反应，可用基因对基因假说进行解释(Flor，1971)。一般认为是宿主植物的R基因（resistance gene）编码的受体与病原体对应的avr基因（avirulcent gene）直接或间接编码的配体作用的结果(孙大业等，2001)。植物识别病毒、细菌病原体和真菌病原体存在基本机制上的不同：病毒通过植物伤口侵入，并通过胞间连丝运输有毒组分；细菌通过第三种类型的分泌途径把avr产物直接运输到植物细胞内，并同胞内R基因产物作用；而真菌avr基因编码的激发子却是和宿主细胞