第五章植物體內(nèi)有機(jī)物的轉(zhuǎn)化和運(yùn)輸

第五章植物體內(nèi)有機(jī)物的轉(zhuǎn)化和運(yùn)輸主要內(nèi)容植物的初生代謝和次生代謝萜類酚類含氮次生化合物植物次生代謝的基因工程植物體內(nèi)有機(jī)物的運(yùn)輸短距離運(yùn)輸，長(zhǎng)距離運(yùn)輸，運(yùn)輸機(jī)理，外界條件對(duì)有機(jī)物運(yùn)輸?shù)挠绊?，有機(jī)物的分配第一節(jié)植物的初生代謝和次生代謝代謝產(chǎn)物分類:初生代謝（primarymetabolites)：由光合作用產(chǎn)物直接轉(zhuǎn)化形成的，并且可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為其他的代謝產(chǎn)物次生代謝：由糖類等有機(jī)物次生代謝衍生出來(lái)的物質(zhì)。貯存于葉泡或細(xì)胞壁中，是代謝的最終產(chǎn)物初生代謝的相互聯(lián)系代謝的主干：卡爾文循環(huán)、糖酵解、三羧酸循環(huán)和戊糖磷酸途徑糖和脂肪是相互轉(zhuǎn)變的糖與蛋白質(zhì)也可以相互轉(zhuǎn)變的。丙酮酸、乙酰輔酶A、α-酮戊二酸和草酰乙酸等中間產(chǎn)物在它們之間的轉(zhuǎn)變過(guò)程中起著樞紐作用。核苷酸的核糖來(lái)源于戊糖磷酸代謝，堿基則是由氨基酸及其代謝產(chǎn)物組成的。Fig.5-1次生代謝萜類、酚類和生物堿次生代謝產(chǎn)物的作用是植物生命活動(dòng)必須的：吲哚乙酸，赤霉素，葉綠素，類胡蘿卜素，花色素防御天敵，保護(hù)自己特殊的代謝產(chǎn)物是藥物和工業(yè)原料第二節(jié)萜類萜類的種類萜類（terpene)或類萜（terpenoid)不溶于水結(jié)構(gòu)：異戊二烯萜類種類是根據(jù)異戊二烯數(shù)目而定，有單萜（monoterpene）、倍半萜（sesquiterpene）、雙萜（diterpene）、三萜（triterpene）、四萜（tetraterpene）和多萜（polyterpene）在植物細(xì)胞中，低分子量的萜是揮發(fā)油，分子量增高就成為樹脂、胡蘿卜素等較復(fù)雜的化合物，更大分子量的萜則形成橡膠等高分子化合物。萜類對(duì)植物的作用是多方面的

萜的生物合成途徑：甲羥戊酸途徑-乙酰輔酶A甲基赤蘚醇磷酸途徑-丙酮酸和3磷酸苷油酸第三節(jié)酚類（phenol）酚類的種類酚類（phenol）是芳香族環(huán)上的氫原子被羥基或功能衍生物取代后生成的化合物，種類繁多，是重要的次級(jí)產(chǎn)物之一，有些只溶于有機(jī)溶劑；有些是水溶性羧酸和糖苷，有些是不溶的大分子多聚體。根據(jù)芳香環(huán)上帶有的碳原子數(shù)目的不同可分為幾種酚類化合物廣泛分布于植物體，以糖苷或糖脂狀態(tài)積存于液泡中。在酚類化合物中，有決定花、果顏色的花色素和橙皮素，有構(gòu)成次生壁重要組成的木質(zhì)素，也有作為藥物的蕓香苷（路?。?、肉桂酸和肉桂醇等酚類的生物合成植物的酚類化合物是通過(guò)多條途徑合成的其中以莽草酸途徑（shikimicacidpathway）和丙二酸途徑（malonicacidpathway）為主。在高等植物，大多數(shù)通過(guò)前一種途徑合成酚類；真菌和細(xì)菌通過(guò)后一種途徑合成酚類。圖5-6植物酚類物質(zhì)的生物合成途徑莽草酸途徑糖酵解產(chǎn)生的磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和戊糖磷酸途徑產(chǎn)生的D-赤蘚糖-4-磷酸作用形成中間產(chǎn)物3-脫氧-D-阿拉伯庚酮糖酸-7-磷酸（3-deoxy-D-arabinoheptulosonicacid-7-phosphate），進(jìn)一步環(huán)化成重要中間產(chǎn)物莽草酸。莽草酸再與PEP作用，形成3-烯醇丙酮酸莽草酸-5-磷酸（3-enolpyruvylshikimicacid-5-phosphate），脫去Pi，形成分支酸（chorismicacid）。分支酸是莽草酸途徑的重要樞紐物質(zhì)，它以后的去向分為兩個(gè)分支：一個(gè)分支走向色氨酸，另一個(gè)分支是先形成預(yù)苯酸（prephenicacid），經(jīng)過(guò)arogenicacid，然后再分支：一是形成苯丙氨酸（phenylalanine），另一是形成酪氨酸（tyrosine）（圖5-7）。廣譜除草劑草甘磷（glyphosate）之所以能除草，就是因?yàn)樗芤种拼呋Р菟崤cPEP合成3-烯醇丙酮酸莽草酸-5-磷酸的酶。大多數(shù)植物次生產(chǎn)物是苯丙氨酸在苯丙氨酸解氨酶（phenylalanineammonia-lyase，PAL）作用下，脫氨形成桂皮酸（cinnamicacid）。PAL是初生代謝與次生代謝的分支點(diǎn)，是形成酚類化合物中的一個(gè)重要調(diào)節(jié)酶，它受內(nèi)外條件影響，例如植物激素、營(yíng)養(yǎng)水平、光照長(zhǎng)短、病菌、機(jī)械損害等，可影響PAL的合成及其活性丙二酸途徑本途徑首先是1分子?；鵆oA與3分子丙二酰CoA結(jié)合，脫羧，合成1分子多酮酸（polyketoacid）。多酮酸通過(guò)各種方式發(fā)生環(huán)化作用，形成間苯三酚衍生物，由于它們的R基性質(zhì)不同，于是形成許多不同的黃酮衍生物簡(jiǎn)單酚類（simplephenoliccompound）廣泛分布于維管植物。其結(jié)構(gòu)有3類：1）簡(jiǎn)單苯丙酸（phenylpropanoid）類化合物，具苯環(huán)-C3的基本骨架，例如，反-桂皮酸（trans-cinnamicacid），對(duì)-香豆酸（para-coumaricacid）、咖啡酸（caffeicacid），阿魏酸（ferulicacid）；2）苯丙酸內(nèi)酯（phenylpropanoiclactone）（環(huán)酯）類化合物，亦稱香豆素A（coumarin）類，也具苯環(huán)-C3的基本骨架，但C3與苯環(huán)通過(guò)氧環(huán)化，例如傘形酮（umbelliforone），補(bǔ)骨脂內(nèi)酯（psoralenlactone）、香豆素等；3）苯甲酸（benzoidacid）衍生物類，具苯環(huán)-C1的基本骨架，例如水楊酸（salicylicacid）、香蘭素（vanillin）等（圖5-8）。

圖5-8不同類型的簡(jiǎn)單酚類化合物的結(jié)構(gòu)

大多數(shù)植物酚類的生物合成是從苯丙氨酸開(kāi)始的，經(jīng)過(guò)PAL的作用，就形成各種簡(jiǎn)單苯丙酸類化合物、香豆素、苯甲酸衍生物、木質(zhì)素、花色素苷、異黃酮、縮合鞣質(zhì)及其他類黃酮（圖5-9）。許多簡(jiǎn)單酚類化合物在植物防御食草昆蟲和真菌侵襲中起重要功能。對(duì)-香豆酸木質(zhì)素（lignin）植物體中的木質(zhì)素（lignin）數(shù)量很大，僅次于纖維素，居有機(jī)物的第二位。木質(zhì)素是植物體重要組成物質(zhì)，廣泛分布于植物界。木質(zhì)素是簡(jiǎn)單酚類的醇衍生物（如香豆醇、松柏醇、芥子醇，5-羥基阿魏醇）的聚合物，其成分因植物種類而異，例如松柏木質(zhì)素含有許多的松柏醇，還有一些香豆醇和芥子醇；山毛櫸木質(zhì)素的松柏醇和芥子醇數(shù)量相近，而香豆醇則很少；單子葉植物（尤其是禾谷類）的木質(zhì)素則含有極多的香豆醇木質(zhì)素的生物合成是以苯丙氨酸和酪氨酸為起點(diǎn)的。首先，苯丙氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)楣鹌に?，桂皮酸和酪氨酸又分別轉(zhuǎn)變?yōu)?-香豆酸，然后，4-香豆酸形成了咖啡酸、阿魏酸、5-羥基阿魏酸和芥子酸，它們分別與乙酰輔酶A結(jié)合，相應(yīng)地被催化為高能CoA硫脂衍生物，進(jìn)一步被還原為相應(yīng)的醛，再被脫氫酶還原為相應(yīng)的醇，即4-香豆醇、松柏醇，5-羥基阿魏醇和芥子醇四種醇類是組成木質(zhì)素的基本單體，它們是在細(xì)胞質(zhì)中形成的，經(jīng)過(guò)糖基化作用，進(jìn)一步形成葡萄香豆醇、松柏苷、5-羥基阿魏苷和丁香苷，再通過(guò)質(zhì)膜運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞壁，在β-糖苷酶作用下釋放出相應(yīng)的單體（醇），最后這些單體經(jīng)過(guò)氧化和聚合作用形成木質(zhì)素類黃酮類（flavonoid）種類植物酚類化合物另一大類物質(zhì)是類黃酮（flavonoid）。它是兩個(gè)芳香環(huán)被三碳橋連起來(lái)的15碳化合物，其結(jié)構(gòu)來(lái)自兩個(gè)不同的生物合成途徑。一個(gè)芳香環(huán)（B）和橋是從苯丙氨酸轉(zhuǎn)變來(lái)的，而另一個(gè)芳香環(huán)（A），則來(lái)自丙二酸途徑，類黃酮是由苯丙酸、ρ-香豆酰CoA和3個(gè)丙二酰CoA分子在查耳酮合酶催化下縮合而成的。根據(jù)3C橋的氧化程度，類黃酮類可分為4種，即花色素苷（anthocyanin）、黃酮（flavone）、黃酮醇（flavonol）和異黃酮（isoflavone）?；绢慄S酮骨架會(huì)有許多取代基，羥基常位于4，5，7位，它也常帶糖，所以大多數(shù)類黃酮是葡糖苷。羥基和糖增加類黃酮的水溶性，而其他替代物（例如甲酯或修改異戊基單位）則使類黃酮呈脂溶性。功能不同類黃酮具有不同功能：1．呈現(xiàn)顏色植物的色素主要有兩類：類胡蘿卜素和類黃酮。類胡蘿卜素是光合作用的輔助色素，呈黃、橙和紅色。類黃酮包含各種有色的物質(zhì)，其中最普遍的有色類黃酮是花色素苷?；?、果大部分呈紅、淡紅、紫和藍(lán)等色，都與花色素苷有關(guān)。鮮艷花色可吸引昆蟲而幫助傳粉，鮮艷果實(shí)可吸引動(dòng)物食用而傳播種子?；ㄉ剀赵贑環(huán)部位3有糖，是葡糖苷；如果沒(méi)有糖，則稱為花色素（anthocyanidin）（圖5-12）?；ㄉ剀帐屈S酮類化合物，溶解于細(xì)胞液中，在植物界中分布極廣，花、果實(shí)和葉片的顏色往往與它有關(guān)?；ㄉ剀盏念伾茉S多因子影響，例如B環(huán)上的羥基和甲氧基數(shù)目，芳香酸對(duì)主要骨架的酯化和液泡中的pH值等。B環(huán)上取代基不同花色有差異。羥基數(shù)越多，吸收光向長(zhǎng)波遷移，顏色偏藍(lán)；羥基被甲氧基替代，吸收光向短波遷移，顏色偏紅。同一花色素的顏色也會(huì)有變化，主要是受細(xì)胞液的pH決定，偏酸性時(shí)呈紅色，偏堿性時(shí)為藍(lán)色。低溫、缺氮和缺磷等不良環(huán)境也會(huì)促進(jìn)花色素的形成和積累防御傷害黃酮類和黃酮醇類不只存在于花器官，也存于綠葉中，由于這兩類物質(zhì)積累在葉和莖的表皮層，吸收紫外線B（UV-B，280～320nm），因此避免了細(xì)胞受到強(qiáng)烈UV-B的傷害，這兩類物質(zhì)允許可見(jiàn)光通過(guò)，不影響光合作用進(jìn)行。最近實(shí)驗(yàn)證明，類黃酮類是植物的紫外光保護(hù)劑。缺乏查耳酮合酶活性的擬南芥突變體，不產(chǎn)生類黃酮，對(duì)UV-B較野生型敏感，在正常條件下生長(zhǎng)極差。如果將UV-B過(guò)濾掉，植物就正常生長(zhǎng)。異黃酮類屬于類黃酮，具有不同的功能，例如魚藤根中的魚藤酮（rotenone）有很強(qiáng)的殺蟲作用；植株受細(xì)菌或真菌侵染后形成的植物防御素（phytoalexin）能限制病原微生物進(jìn)一步擴(kuò)散鞣質(zhì)在植物酚類多聚體中具有防御功能的，除了木質(zhì)素外，就是鞣質(zhì)（tannin，俗名丹寧），其相對(duì)分子質(zhì)量大多數(shù)為600-3000。鞣質(zhì)可分兩類：縮合鞣質(zhì)（condensedtannin）和可水解鞣柔（hydrolyzabletannin）。縮合鞣質(zhì)是由類黃酮單位聚合而成，相對(duì)分子質(zhì)量較大，是木本植物的組成成分，可被強(qiáng)酸水解為花色素?？伤怊焚|(zhì)是不均勻的多聚體，含有酚酸（主要是沒(méi)食子酸gallicacid）和單糖，相對(duì)分子質(zhì)量較小，易被稀酸水解。第四節(jié)含氮次生化合物生物堿（alkaloid）是一類含氮雜環(huán)化合物，通常有一個(gè)含N雜環(huán)，其堿性即來(lái)自含N的環(huán)。目前已發(fā)現(xiàn)含有生物堿的植物將近一百多個(gè)科，其中豆科、夾竹桃科、罌粟科、毛莨科、防己科、馬錢科、茄科、蕓香料、茜草科、石蒜科等多含生物堿。一科植物中常含多種結(jié)構(gòu)相似的生物堿，如麻黃中已發(fā)現(xiàn)7種有機(jī)胺類生物堿。生物堿在植物體內(nèi)的分布并不一致，如古柯堿（可卡因）集中在葉內(nèi)，奎尼堿集中在樹皮，香木鱉堿集中在種子，石蒜堿集中在鱗莖植物器官中的生物堿含量很低，一般在萬(wàn)分之幾到百分之一二（象金雞納樹皮那樣含奎尼堿12%是極少的）。植物在不同生長(zhǎng)時(shí)期所含生物堿的成分及含量常有不同。有些多年生的植物，隨年齡增長(zhǎng)，某部分的含量逐漸增加，如金雞納樹皮的奎尼堿隨樹齡的增長(zhǎng)而增加，小檗根中的小檗堿（黃連素）含量也隨植物年齡增長(zhǎng)而增加。植物生物堿含量亦受外界條件的影響而改變，如氮肥多時(shí)，煙堿含量就高生物堿是植物體氮素代謝的中間產(chǎn)物，是由不同氨基酸衍生來(lái)的，尤其賴氨酸、酪氨酸、色氨酸。煙堿（nicotine）是煙草中的主要生物堿。煙堿的生物合成是由天冬氨酸和3--磷酸甘油醛合成煙酸（nicotinicacid），進(jìn)一步與精氨酸生物合成的中間產(chǎn)物鳥氨酸（ornithine）合成為煙堿Figure5-13

鳥氨酸甲基吡咯啉生物堿是核酸的組成成分，又是維生素B1、葉酸和生物素的組成成分，所以具有重要的生理意義；它對(duì)動(dòng)物往往有毒性，所以也有防御敵害的意義。生物堿是重要藥物的有效成分，許多中藥的有效成分往往是生物堿，比如有平喘作用的麻黃，其有效成分是麻黃堿；有抗菌效果的黃連，其有效成分是小檗堿；有止痛作用的元胡，其有效成分是延胡索乙素等多種生物堿?，F(xiàn)在西藥常用的重要藥品，最初還是從植物分離出來(lái)證實(shí)有效后化學(xué)合成的，例如從蘿芙木分離出來(lái)的利血平，從金雞納樹皮分離出來(lái)的奎寧等。在抗癌藥物中有從長(zhǎng)春花中分離出來(lái)的長(zhǎng)春新堿，從粗榧分離的三尖杉酯堿，從美登木分離的美登木堿等含氰苷含氰苷（cyanogenicglycoside）廣泛分布于植物界，其中以豆類、禾谷類和玫瑰一些種類最多。含氰苷本身無(wú)毒，但植物破碎后就會(huì)釋放出有揮發(fā)性的毒物氰化氫（HCN）。在完整植物中，含氰苷存在于葉表皮的液泡中，而分解含氰苷的酶——糖苷酶（glycosidase）則存在葉肉中，互不接觸。當(dāng)葉片被咬碎后，含氰苷就與酶混合，含氰苷中的氰醇（cyanohydrin）和糖分開(kāi)，前者再在羥基腈裂解酶（hydroxynitrilelyase）作用下或自發(fā)分解為酮和HCN。昆蟲和其他草食動(dòng)物（如蛇、蛞蝓）取食植物后，產(chǎn)生HCN，呼吸就被抑制。木薯（manihotesculenta）塊莖含較多含氰苷，一定要經(jīng)磨碎、浸泡、干燥等過(guò)程，除去或分解大部分含氰苷后，才能食用。第五節(jié)植物次生代謝的基因工程花卉育種植物花的顏色與類黃酮有關(guān)，而查耳酮合酶（CHS）是類黃酮生物合成的關(guān)鍵酶，也是花色素合成的關(guān)鍵酶。陳章良等從矮牽牛中分離出CHS的cDNA，將cNDA與CaMV的35S啟動(dòng)子反向連接，再把此反義基因系統(tǒng)連到雙元載體Bin19上，得到矮牽牛轉(zhuǎn)基因植株，其花色從原來(lái)的紫紅色變?yōu)榉奂t色并夾有雜白色或全白色，這種反義RNA技術(shù)為園藝學(xué)育種提供了一條新途徑農(nóng)作物性狀改良利用基因工程改變植物的次生代謝，可使植物合成新的植物抗毒素，以增加抗病能力，或抑制某些性狀，以提高產(chǎn)品品質(zhì)，例如，1,2一二苯乙烯合成酶是合成植保素白藜蘆醇的關(guān)鍵酶，正常煙草不含這種酶。將花生的二苯乙烯合成酶轉(zhuǎn)入煙草，煙草便合成此植保素，增強(qiáng)對(duì)灰葡萄孢菌（Botrytiscierea）的抗性。用正義和反義序列的0-甲基轉(zhuǎn)移酶基因轉(zhuǎn)化煙草，就可以控制植物中木質(zhì)素的合成。這對(duì)未來(lái)的蔬菜基因工程很有意義藥用植物的細(xì)胞工程與基因工程我國(guó)的人參、紫草等植物的細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)獲得成功。人參細(xì)胞培養(yǎng)已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)；紫草細(xì)胞的發(fā)酵罐培養(yǎng)規(guī)模已達(dá)100升，其有效成分紫草素含量可達(dá)細(xì)胞干重的10%。發(fā)根農(nóng)桿菌（Agrobacteriumthigogemes）可感染植物受傷部位，菌中Ri上的T-DNA片段整合到植物細(xì)胞基因組內(nèi)，誘導(dǎo)毛狀根產(chǎn)生。近年來(lái)發(fā)根培