植物逆境生理第三章植物毒素及其生态意义.ppt

第三章 植物毒素及其生态意义,第一节 非蛋白质氨基酸及其生态意义 第二节 生氰糖苷及其生态意义 第三节 生物碱及其生态意义 第四节 蛋白质毒素及其生态意义 第五节 不含氮毒素及其生态意义 第六节 植物毒素的致毒机理及动物的解毒方式,第三章 植物毒素及其生态意义,裸子植物最早出现在石炭纪（距今约3.5亿年），到三叠纪达到了鼎盛时期。被子植物在侏罗纪出现（约1.8亿年），到了第三纪已很繁盛。随着绿色植物的出现和发展，以植物为食的各类动物也随之产生和发展起来。因此，植物在生存和发展中，除了要和自然环境斗争外，还要和各种取食者进行斗争。 植物的有毒成分是植物自身合成的，能对取食者产生一定的伤害。习惯上常把植物的有毒成分称为植物毒素（plant toxin）。毒素是植物最有效的防御武器，当植物被摸碰或被吃掉时，这种毒素便发挥作用。有趣的是，植物毒,素大部分集中在最易受袭击的部位，如植物的果实和花。 植物毒素的种类繁多，结构多种多样，除少数是蛋白质外绝大多数是植物次生物质，主要的毒素有非蛋白质氨基酸、生氰糖苷、生物碱、蛋白质毒素和不含氮毒素等几类。,第三章 植物毒素及其生态意义,第一节 非蛋白质氨基酸及其生态意义,第一节 非蛋白质氨基酸及其生态意义,一、碱性非蛋白质氨基酸 二、酸性非蛋白质氨基酸 三、芳香和杂环非蛋白质氨基酸 四、含硒氨酸 五、具神经毒性氨基酸 六、非蛋白质氨基酸的生态意义,第一节 非蛋白质氨基酸及其生态意义,组成蛋白质结构单位的氨基酸称为蛋白质氨基酸，现知共有20种。在植物中除上述20种外还存在其他氨基酸，已分离鉴定了400余种非蛋白质氨基酸（non-protein amino acid），它们在植物体内大多数呈非结合状态，其中有不少是有毒的，它们多数存在于豆科植物的种子中。从结构上看，有毒的非蛋白质氨基酸多数是蛋白质氨基酸的模拟物。被动物食入后，能被当作相应的蛋白质氨基酸而被组入到蛋白质中，引起结构和功能的改变，从而带来严重的后果。谷氨酸和g-氨基丁酸是神经递质，与这些氨基酸结构相似的非蛋白质氨基酸能引起,动物某些神经症状而带来伤害。 有很多游离的非蛋白质氨基酸对动物是有毒的，但进行过较深入研究的大约有20多个，按其结构和功能可分为下面几类。,一、碱性非蛋白质氨基酸,在pH 7时能携带净正电荷的都归于这一类，它们多带有2个或2个以上的氨基酸基团。 （一）刀豆氨酸（canavanine）和副刀豆氨酸（canaline） H2NC(=NH)NHOCH2CH2CH(NH2)CO2H 刀豆氨酸 H2NOCH2CH2CH(NH2) CO2H 副刀豆氨酸 H2NC(=NH)OCH2CH2CH2CH(NH2)CO2H 精氨酸,豆科蝶形亚科的许多种子中都含有刀豆氨酸，而在云实亚科和含羞草亚科以及其他亚科的植物中并没有发现。洋刀豆（Canavalia anssifformis）种子分析表明，刀豆氨酸以游离状态存在，含量为鲜重的3.6%6.2%。而在大果豆（Sioclea megacarpa）的种子中刀豆氨酸含量可达鲜重的710。我国南方栽种的海刀豆（C.maaritima）攀缘腾本荚果长10 cm，可菜用，种子和豆荚有毒，种子含刀豆氨酸0.2%4.4%，常有因加工不当而发生中毒的。,刀豆氨酸对广谱生物都是有毒的，能抑制某些细菌的生长，能被组入到链球菌（Staphylococcus aureus）的蛋白质中。刀豆氨酸还抑制了霉菌、酵母和藻类的生长，对高等植物和动物的生长发育也有影响。Allende(1964)用小鼠肝核糖体制剂做实验，发现刀豆氨酸被组入刀蛋白质中了。刀豆氨酸对小鼠的毒性浓度为200 mg/kg体重。取食刀豆氨酸的玉米螟，蛋白质含量降低，氨基酸含量上升，精氨酸酶活性也稍有降低。,副刀豆氨酸是在研究刀豆的提取物时发现的，它也是个游离的非蛋白质氨基酸。副刀豆氨酸有一个自由的氨氧基基团，和鸟氨酸的氨氧基相同。副刀豆氨酸对烟草天蛾（Manduca Sexta）是有毒的，能使其生长缓慢，雌虫卵巢萎缩，出现畸形的蛹和成虫。副刀豆氨酸能显著地抑制含有磷酸吡多醛的酶的活性。仅10 mmol/L的副刀豆氨酸就能完全抑制谷氨酸草酰乙酸和谷氨酸丙酮酸转氨酶的活性。副刀豆氨酸可能和这些酶的辅基结合，从而产生抗代谢作用。从含有刀豆氨酸的原料中都能分离到副刀豆氨酸。,（二）高精氨酸（homoarginine） H2NC(=NH) NH(CH2)2CH(NH2)CO2H 高精氨酸 香豌豆（Lathyrus）的许多种都含有高精氨酸，Bell(1962)在这个属的49个种中，发现有36种含有这个非蛋白质氨基酸。Rao等（1963）从3 kg的山黎豆（L.sativus）的种子粉中分离出2.8 g高精氨酸，大约含量为0.1%。从百脉根属（Lotus）的L.helleri种子里也分离出这个氨基酸。 高精氨酸在培养基中以8 g/ml就能抑制链球菌（Streptococcus aureus）生长的50%，它对小球藻（Chlorella vulgaris）的毒性要,高于刀豆氨酸，对大肠杆菌则有剧毒。高精氨酸对昆虫也是有毒的，但毒性低于刀豆氨酸。把25 mmol/L 的高精氨酸注入5龄烟草天蛾血淋巴中，虽然蛹化但严重残缺畸形。把约5的高精氨酸加入到四纹豆象（Callosobruchus maculates）的饲料中，阻止了蛹的羽化，若以接近自然含量（约1）加入到饲料中，则没有明显的影响。高精氨酸对刀豆氨酸有明显的制约作用，能替代精氨酸来减缓刀豆氨酸的伤害作用。它对哺乳动物的毒性似乎不是很明显的，但这方面也却少深入研究。高精氨酸的功能可能是作为精氨酸的抗代谢物和竞争者而起作用。,香豌豆属含异常游离氨基酸非常丰富，已分离和鉴定出至少有12种之多。还有-N-(-谷氨酰)氨基丙腈（CCCH2CH2NHC(O) CH2CH(NH2) CO2H）,它是从香豌豆属分离出的第一个有毒游离氨基酸，当小鼠和大鼠取食这种氨基酸时，产生骨骼异常和出现动脉瘤。后来证明它的毒性是其结构中的-氨基丙腈（-NCCH2CH2NH2）引起的。腈化物干扰了胶原蛋白和弹性蛋白的交联作用。 ,-二氨基丁酸（H2NCH2CH2CH(NH2)CO2H）最早是从L.latifolius分离出来的，并证明对小鼠有毒，它是鸟氨酸的同系物，在哺乳动物肝脏里抑制了鸟氨基转氨甲酰酶的活性。,（三）羟基精氨酸（hydroxy-arginine）和羟基高精氨酸（hydroxy-homoarginine） H2NC(=NH) NHCH2CH(OH) CH2CH(NH2)CO2H 羟基精氨酸 H2NC(=NH) NH(CH2)2CH(OH) CH2CH(NH2)CO2H 羟基高精氨酸 羟基精氨酸最早是从海洋动物紫轮海参（Polycheira refescens）中分离的，是含有一个羟基化的亚甲基团的精氨酸同系物。接着又在日本海葵(Anthopleura japonica)中找到它。在野豌豆属（Vicia）中至少有17个种含,有这个氨基酸。它的水解产物是尿素和羟基鸟氨酸。也已从歪头菜（V.unijuga）种子中分离出了羟基鸟氨酸，含量约为其干重的1。 Bell(1962)在研究香豌豆种子的游离氨基酸时，在提取物中发现了羟基高精氨酸，后来在其他豆科植物如兵豆（Lens culinaris）和豌豆（Pisum sativum）中也发现了这个氨基酸。 对这两种非蛋白氨基酸的毒性和生物功能了解尚少，但其结构类似于精氨酸，推测它们可能作为精氨酸的抗代谢物而起作用。,（四）木蓝氨酸（indospicin） H2NC(=NH) NHOCH2CH2CH2CH2CH(NH2) CO2H 木蓝氨酸 木蓝属（Indigofera）的穗花槐蓝（I.spicata）是热带的一种豆科植物，有高含量的粗蛋白质，味可口，并有固氮能力，曾引起人们很大兴趣，考虑将它开发为饲料作物。但很快发现它能引起动物的流产和肝损伤。Pearn(1967)研究了1000头食用了穗花槐蓝大鼠的胚胎，发现食用这种植物造成了严重的胚胎病症候群，包括次生腭裂和侏儒化，其大小只有正常胚胎的一半但各部分比例正常。穗化槐蓝还能引起不同程度的急性肝损伤。1970年,Pearn又用提纯的木蓝氨基酸做实验，在大鼠妊娠11天胃管给药，每克体重2 mg，实验5头。其中两只雌鼠的胚胎在妊娠的21天死于子宫内。另3只得到16只胚胎，其中13只有腭裂，而对照的10只全部是正常的。DNA、RNA和蛋白质含量有些增加，但增加的75是水的潴留。木蓝氨酸对牛羊亦有剧毒，能引起肝损伤和怀孕动物流产等。 我国南方木蓝属植物有野青树（I.suffruticasa），小灌木，可提取靛蓝染料，全株有毒。铁箭岩陀（I.hendecaphylla）亦全株有毒，误食后造成家畜肝脾损伤，严重者可致死。,木蓝氨酸也是精氨酸的同系物，能被食入的动物误组入蛋白质中，从而带来严重的后果。木蓝氨酸引起动物的某些伤害，可被同时注入等量的精氨酸所减轻，而不受同时注入的刀豆氨酸所影响。,二、酸性非蛋白质氨基酸,含有二羧基的非蛋白质氨基酸有氨基草酰氨基丙酸和草酰二胺丙酸，本节主要介绍前者。 HO2CC(O) NHCH2CH(NH2) CO2H -氨基-草酰氨基丙酸 HO2CC(O) CH2CH(NH2) CO2H 谷氨酸,-氨基-草酰氨基丙酸是从香豌豆属的多种植物种子中分离到的，它在结构上和谷氨酸类似，是谷氨酸的模拟物。它的毒害作用不是被组入蛋白质中，而是因谷氨酸是昆虫神经-肌肉接点处的一种神经递体，在神经传导中起着重要作用。-氨基-草酰氨基丙酸渗入神经组织后，能阻断神经冲动的传递，影响了谷氨酸的正常生理活动，从而引起一系列神经功能障碍。,三、芳香和杂环非蛋白质氨基酸,（一）铃兰氨酸（azetidine-2-carboxylic acid） 铃兰氨酸 脯氨酸,最早是从百合科欧铃兰（Convallaria majalis）的叶中分离出来的，接着又在蓼科的一种蓼Polygonatum officienale中得到，而且含量很高，占其干重的365%，在何首乌（Polygonatum multiflorum）根茎内铃兰氨酸中的氮构成了其非蛋白氮含量的75。已测定了百合科的90个种，有1/3的种含有铃兰氨酸。我国北方各地广为分布的铃兰（C.keiskei），两张叶片，一只花茎，全株有毒，花和根毒性较大。后来还在石蒜科和龙舌兰科植物中分离到。铃兰氨酸也存在于几种豆科植物中。一种百合科植物Urginea maritima含1.7%的铃兰氨酸，它对海灰翅夜蛾（Spodoptera littoralis）是有抗性的。Hassid等（1976）从这种百合科,植物的叶中分离和提纯了铃兰氨酸，用实验证明铃兰氨酸的一种蓼P.officinale的根茎中提取脯氨酸-tRNA合成酶，发现绿豆的脯氨酰-tRNA合成酶能以脯氨酸1/3的速度活化铃兰氨酸，是其同系物。Fouden（1963）也发现大肠杆菌和菜豆的脯氨酸活化酶能活化铃兰氨酸，并把它组入自身的蛋白质中，而含有铃兰氨酸的铃兰和何首乌的脯氨酰-tRNA合成酶不能活化铃兰氨酸，因而不会把它组入到自身的蛋白质中。当动物食入铃兰氨酸后，由于体内的脯氨酸活化酶不能识别它，把它误认是脯氨酸，于是合成了脯氨酰-tRNA并进而将其组入蛋白质中。带有铃兰氨酸的异常蛋白质失去了正常蛋白质的生理功能，进而引起了组织器官的坏死。,(二) 黎豆氨酸（lathyrine） 黎豆氨酸 Bell(1961)在分析一种香豌豆种子游离氨基酸时，发现了一个新的茚三酮染色呈橘红色斑点，它是一个新的非蛋白质氨基酸，被命名为Lathyrine。黎豆氨酸在这种香豌豆的种子里含量为2.11%，在这个属的其他种中含量约在0.22%0.52%之间。至今黎豆氨酸对其他生物的影响知道得还不多，但对其生物合成还,有些研究。高精氨酸可能是黎豆氨酸的前体物。把14C标记高精氨酸注入这种香豌豆的荚果皮或茎中，46周后分析种子，发现标记碳被有效地转入了羟基高精氨酸中，而转入到氨基酸库和黎豆氨酸的极少。当把标记的羟基精氨酸施给这个植物时，标记的碳进入了黎豆氨酸。由此看来其合成途径可能是高精氨酸通过羟基高精氨酸变为黎豆氨酸。,(三) L-多巴（L-dopa） L-多巴 酪氨酸 L-多巴以游离的或结合的糖苷形式存在于许多豆科植物的种子中，如羽扇豆属（Lupinus）、油麻藤属(Mucuna)和野豌豆属（Vicin）等。其他科如大戟科的一种大戟Euphorbia lythyrus分泌的胶乳中也有。但是，在筛选过的上千个种中，只有油麻藤属种子含量在0.5%以上，这个属种子的脱脂干粉多巴含,量在3.1%6.7%之间。Bell（1971）报道，油麻藤属有6个种的种胚里含量达到了69。高含量的多巴是油麻藤属的特征。它的大量存在干扰了昆虫的酪氨酸酶（tyrosinase）正常功能。该酶能氧化酪氨酸成为多巴，并进而将多巴脱羧为多巴胺。这个反应是昆虫体壁硬化过程中重要的一步。所以，含大量多巴的种子对昆虫有剧毒。在巴西的森林里，相邻的有两种豆科植物，一种是含有多巴的油麻藤属，另一种不含多巴。不含多巴的种子被豆象咬得虫孔满布，而含多巴的种子则完好无损。,L-多巴对动物包括人也是有毒的。蚕豆也含有适量的L-多巴，多食后可诱发蚕豆病（favism），主要症状是溶血性贫血并伴有葡萄糖-6-磷酸脱氢酶活性的降低。L-多巴的存在和红血球中还原性谷胱甘肽的缺失有相应关系。谷胱甘肽的降低明显地使红血球寿命缩短。有蚕豆病病史的人也缺少葡萄糖-6-磷酸脱氢酶活性。 有关多巴毒理的研究，多与把它作药剂用来治疗人的震颤性麻痹症（Parkinsons病）有关，患者慢性神经紊乱，运动失调。病人的脑和脑脊髓液中多巴胺浓度降低，若给予病人大量的L-多巴（每日8 g），能使病人症状显著减轻。在体内L-多巴能被脱羧变为多巴胺，,能显脱羧变为多巴胺，著增加脑中多巴胺的水平。采用这个措施能减缓震颤性麻痹病人的症状。L-多巴也用做诊断剂，来诊断多种神经性功能障碍。 当把L-多巴喂给小鼠时，引起了脑中5-羟色胺浓度的降低，并使被处理的动物呈现过敏反应，产生跳动不安和打斗。 L-多巴由酪氨酸羟化而来，当以14C标记的酪氨酸注给一种油麻腾（M.deeringina）的幼叶时，产生了标记的L-多巴。然而，在这种油麻藤的细胞培养实验里，在组培的细胞里并没有积累L-多巴，说明离体的细胞已不能像生活的高等植物那样来储存次生代谢物质了。,（四）含羞草氨酸（mimosine） 含羞草氨酸 含羞草氨酸最早是从含羞草（Mimosa phdica）的树液中分离出来的，银合欢属（Leucaena）许多种的种子和叶片中都含有它。含羞草氨酸现知仅存在于含羞草亚科的含羞草属和银合欢属两个属中。在一种银合欢L.leucoecphala的叶子中含量高达2%5%，而在种子中可达9。赖氨酸是含羞草氨酸合成的前体。含羞草氨酸能被土壤中和反刍动物瘤,胃中的微生物降解，末端产物是3,4-二羟基吡啶。银合欢L.leucocephala是树状豆科植物，高可达10 m，原产墨西哥，现已广泛分布于亚热带和热带地区，作为咖啡、茶和可可园的防护林带，在贫瘠少雨的地方也能很好生长，能提供木材和饲料。 含羞草氨酸对广谱动物包括人都是有毒的，家畜中毒最显著的症状是脱毛。马，驴，骡和猪是特别敏感的。含羞草氨酸引起了鼠生长速率和生殖力的降低，也能抑制微生物如大肠杆菌和植物如一种菜豆的生长。含羞草氨酸抑制动物生长的效应能通过在食物中加入酪氨酸和苯丙氨酸而被阻止。含羞草氨酸能和吡多醛磷,酸作用，而吡多醛是酶的辅基，因而推测它可能干扰了一些酶的活性。已证明在动物组织中它抑制了酪氨酸脱氢酶的活性，也抑制了猪心肌天冬氨酸-谷氨酸转氨酶的活性。绿豆幼苗的生长能被含羞草氨酸强烈地抑制，但在体外，绿豆的天冬氨酸-谷氨酸转氨酶的活性并没有被含羞草氨酸所影响。这也许表明，植物中这个酶和辅基结合得更为牢固。 我国云南和广东等地分布的无刺含羞草（M.invisa）是伏地草本植物，羽状复叶，受触时叶闭合。该植物全株有毒，有牛误食后中毒死亡的报道。,（五）5-羟色氨酸（5-hydroxy-tryptophan，5-HTP） 5-羟色氨酸 色氨酸 5-羟色氨酸是个有生理活性的胺，在哺乳动物中，它是由色氨酸羟化脱羧而来，5-羟色氨酸是其前体物。在植物中5-羟色氨酸首先是从西非的一种豆科植物Griffonia simplicifolia种子里分离出来的，含量很高，可达鲜重的610，并常伴有5-羟色胺。,叶片中也有，但含量低。5-羟色氨酸也存在于油麻藤属植物以及香蕉等植物中。给兔注射5-羟色氨酸（60100 mg/kg），提高了脑中5-羟色胺的水平，并带来一系列神经性症状，颤抖，肌肉活动失调，并引起死亡。口服这个非蛋白质氨基酸，也提高了脑和器官中5-羟色胺的水平，并带来不良后果。 在西非，这种植物也是一种草约，还是一种催欲剂，并有防腐抗菌作用。取食了叶片的山羊能提高生育力。这些生理效应无疑和其含有大量的5-羟色氨酸有关。,（六）低血糖氨酸（hypoglycine）和亚甲环丙基甘氨酸（methylenecyclo propyl glycine） 低血糖氨酸 亚甲环丙基甘氨酸 牙买加的一种无患子科植物Blighia sapida，其果肉常被食用，由此发生一种呕吐病（vormiting sickness），其病症主要是激烈的干呕和呕吐，继之发生血糖降低，痉挛，昏迷甚至死亡。儿童更为严重。这种病常有很强的季节性，历年在食物比较短缺，这种果被大,大量食用时发生。果中含有的低血糖氨酸是造成这种病的原因。食用时这种果尚未完全成熟，此时低血糖氨酸含量可达0.11%。这种病临床的一个主要特征是血糖降低，可低到3 mg/100 ml（正常值为100 mg/100 ml）。当把低血糖氨酸静脉注射给兔（20 mg/kg）7 h后，血糖由90 mg/100 ml降到10 mg/100 ml左右，并产生震颤。单一的肌肉注射低血糖氨酸，能使肝脏糖元急剧降低。从这种尚未完全成熟的果肉和种子中，还分离到一个二肽化合物，谷氨酰-低血糖氨酸。 无患子科的荔枝（Litchi chinensis）是我国南方的主要水果之一，果肉香甜可口，受,人喜爱。当人们连续大量食入荔枝后常发生一种“荔枝病”，表现为心率失常，血压下降和由于储糖量减少而产生低血糖症。此“病”在我国南方荔枝大量上市时经常发生。Gray(1962)从荔枝中分离到比低血糖氨酸低的同系物亚甲环丙基甘氨酸，它也是有低血糖氨酸的性质，从荔枝中也分离出与谷氨酰形成的二肽。 低血糖氨酸从给药到病症显现，需要一段时间，表明低血糖氨酸转变成有毒化合物（亚,甲环丙基乙酸）要有一个过程，这个过程可能如下： 低血糖氨酸 亚甲环丙基丙酮酸 亚甲环丙基乙酸,低血糖氨酸和其有毒产物都能被活化，形成乙酰-CoA衍生物，能竞争肉碱-乙酰转移酶，使得肉碱含量水平降低，这就影响了脂肪酸的氧化，而脂肪酸的代谢需要有多种酰基参与。低血糖氨酸使脂肪酸氧化降低的同时，也使葡萄糖异生速率降低，于是动物为满足能量的需要，不得不动用储备的糖元，储备渐被耗尽，低血糖氨酸病就产生了。,四、含硒氨酸,甲基硒代胱氨酸 丙氨酸丁氨酸硒醚 甲基硒蛋氨酸 硒胱氨酸,硒是土壤中的微量元素，一般浓度为1107。但在某些半干旱的土壤里硒的含量很高，并且是可溶性的，植物吸入大量的硒而成为有毒植物。微量的硒（约1108）对动物的生长和发育是必需的。硒还是谷胱甘肽过氧化酶的一种成分，该酶能降低有机的过氧化物的含量。但是过量的硒又会给动物带来伤害。 最著名的累积硒的植物是豆科黄芪属（Astragalus）植物。在北美黄芪属有500余种，有24种能累积硒如A.bisulcatus 和A.racemosus等，在这些植物的种子和组织里能累积高浓度的硒，有的浓度高达15103 。,由于这些植物能正常地生长在高硒地区，因而可作为指示植物来帮助鉴定土壤类型。在累积硒的植物里，主要储存的是甲基硒代胱氨酸和丙氨酸丁氨酸硒醚等。能累积硒的植物虽品种数不多但分布广且毒性较强，在这些地地区放牧可引起家畜的急性中毒（饲料中硒含量大于40106），症状是呼吸加快，体温升高，府卧，直至死亡。在硒含量较低的地区（540106）放牧时也可引起慢性中毒，使生长和繁殖速率降低。慢性中毒不是很容易诊断的，分析毛发中硒的含量能方便地判断饲料中硒的含量。超过10106就容易产生硒中毒，而低于5106中毒就不会发生。,除黄芪属植物外，豆科的草本植物Neptunia amplexicaulis分布在澳大利亚昆士兰的中部地区，也是累积硒的植物，硒的浓度可达4103。食用这种植物常引发临床的硒中毒。这种植物储存的硒化物是丙氨酸丁氨酸硒醚。 玉蕊科植物Lecythis ollaria是美国中南部的一种大的落叶木本植物，其果被食用后常引起腹痛、恶心和呕吐。12周后产生脱毛秃发。从其鲜果中分离出的活性物质也是丙氨酸丁氨酸硒醚，浓度高达18103。,在分析这些硒化物时发现硒是以共价键和碳原子连接的，非常类似于硫化物的结构，硒对硫有拮抗作用。用豇豆（Vigna radiata）作实验发现，甲基硒蛋氨酸和蛋氨酸以相同的速率被组入了蛋白质，这就引起了功能的改变。但是，在累积硒的Neptunia amplexicaulis中并没有找到含硒的蛋白质，说明这些累积者自身有一种旁路代谢机制，将大量的硒同化到非蛋白质硒氨基酸中，而避免了中毒的发生。其他植物缺少这种机制，因而对硒是敏感的，甚至无法在这些富含硒的地方生存。,五、具神经毒性氨基酸,豆科象豌豆属的种子作为人类食物已有几千年的历史，常被食用的有山黎豆（L.sativus）、林生山黎豆（L.sylvestris）和L.cicera等。特别是分布十分广泛的山黎豆，在饥馑之年能被大量食用，从而诱发产生山黎豆病（neurolathyrism），轻者肌肉无力，重者导致不可逆麻痹。 （一）-氰基丙氨酸（-cyanoalanine） 豆科的野豌豆属（Vicia）和香豌豆属等的种子中都含有-氰基丙氨酸。,（二）草酰-二胺丙酸（oxalyl diaminopropinic acid，ODAP） 由于救荒野豌豆引起了山黎豆病，人们就努力地从其中分离引起这种神经病症的毒物。,六、非蛋白质氨基酸的生态意义,许多科学家认为，非蛋白质氨基酸具有对抗昆虫和食草动物的取食、抑制微生物生长等作用，对含有它的植物具有保护功能，因而有一定的生态意义。 第一，非蛋白质氨基酸对动物、昆虫和微生物有毒，能使含有它的植物在生存竞争中占优势。 第二，这些自然产物在有些植物中达到了很高的含量，合成这些物质要消耗许多能量和代谢源。含有这些异常氨基酸的物种必然具有一种选,择优势，能增加它们在生存竞争中存活下来的机会。 第三，如果上述观点是有道理的话，那么昆虫和食草动物在进化中就能发展某种对抗这种有毒化合物的机制，如产生对这些化合物的生化脱毒机制，或其他方式来适应或利用这些化合物。这在大果豆（Dicclea megacarpa）和巴西豆象（Carydes brasiliensis）相互关系的详尽研究中已经得到了证明。 可研制新型的生态型“绿色农药”。,第三章 植物毒素及其生态意义,第一节 非蛋白质氨基酸及其生态意义 第二节 生氰糖苷及其生态意义,第二节 生氰糖苷及其生态意义,一、生氰作用和生氰糖苷 二、生氰糖苷的多态现象和生态意义,第二节 生氰糖苷及其生态意义,人们很早就知道有些植物和其他有机体有生氰作用，能产生毒性很强的氢氰酸。氢氰酸有广谱毒性，对哺乳动物、鸟类以及昆虫都有很强的毒性，对微生物也有抑制作用。 一、生氰作用和生氰糖苷 生氰作用（cyanogenesis）是指植物具有合成生氰化合物的能力，并能在水解中释放HCN。许多不同类群植物如蕨类、裸子植物、单子叶和双子叶被子植物中都有生氰植物。至今已知豆科、蔷薇科、大戟科、亚麻科、禾本科、木犀科、水麦冬科和忍冬科等有2000多种生氰植物。,（一）苦杏仁苷（amygdalin） 苦杏仁苷 苦杏仁苷是人们熟悉的常见的一种生氰二糖苷，主要存在于核果类，如杏、桃、李和梅等的果仁中。杏（Prunus armenica）的苦杏仁中，苦杏仁苷的含量约为15，最高可达7.9%。儿童食入1020粒，成人食入4060粒苦杏仁就能引起中毒，症状是呕吐、呼吸困难和惊厥，严重者昏迷直至死亡。氢氰酸的经典来源之一是苦杏仁；而苦杏仁味又是氢氰酸的特征味道。,（二）亚麻苦苷（linamarin）和百脉根苦苷（lotausralin） 亚麻苦苷 百脉根苦苷 首先是从亚麻科亚麻（Linum usitatissimum）的种子中分离到的。亚麻纤维是纺织工业的原料，种子可榨油，但亚麻全株有毒，主要含亚麻苦苷，是个单糖苦苷，含量在0.171.5之间，种子和嫩芽含量较大。家畜和家禽取食亚麻种子可中毒，家畜取,食亚麻子饼或饮用浸渍亚麻的水亦能中毒。中毒症状为呕吐、呼吸困难和痉挛，最后呼吸麻痹而死。 豆科的白车轴草（Trifolium repens）和百脉根（Lotus corniculatus）分布很广，是欧洲和澳洲牧场的主要草种，其茎叶中含有亚麻苦苷。 大戟科的木薯直立乔木，块根肉质可食，热带地区广为种植。木薯全株有毒，新鲜块根毒性较大，常有食用而中毒者，其主要毒素也是亚麻苦苷。此外，毛莨科、西番莲科和菊科的某些植物也都含有亚麻苦苷。,（三）高粱苦苷(dhurrin) 高粱苦苷 高粱苦苷是从禾本科高粱（Sorghum vulgare）的幼苗中分离到的一个单糖苷，在尚黄化的高粱幼苗中高粱苦苷含量非常之高，可达150 mg/g(干重)。许多禾本科植物，如燕麦和玉米等幼苗也都含有这种生氰糖苷，家畜食入大量幼苗亦能引起中毒死亡。,二、生氰糖苷的多态现象和生态意义,具有生氰糖苷及其-葡萄糖糖苷酶是一个种的特征，即在一个种里或都是生氰糖苷型，或都是非生氰糖苷型。但在有几个种的群体里，有生氰糖苷型也有非生氰糖苷型。 表 3-1 生氰糖苷植株的基因型和表型,第三章 植物毒素及其生态意义,第一节 非蛋白质氨基酸及其生态意义 第二节 生氰糖苷及其生态意义 第三节 生物碱及其生态意义,第三节 生物碱及其生态意义,一、几种常见的植物生物碱 二、生物碱的生态意义,第三节 生物碱及其生态意义,生物碱（alkaloids）是自然界中广泛存在的一大类碱性含氮化合物，具有广泛的生理功能，是许多药用植物的有效成分，目前运用于临床的生物碱药品已达80种之多，相当多的生物碱具有抗肿瘤活性、低毒性和成本低之特性，因而引起了人们的广泛关注。 生物碱是氨基酸的代谢产物，分为三个类别：真生物碱(true alkaloids)，有一个由胺衍生来的含氮杂环核，如异喹啉生物碱；原生物碱(proto alkaloids)具有各种附附加基团的简单,胺，如麻黄碱(ephedrine)、墨斯卡灵(mesca1ine)等；第三类生物碱并非由氨基酸途径代谢得到，而是由萜烯类、甾醇、脂肪酸、烟酸或膘吟衍生来的，化合物都含有氮，如咖啡碱(ceffein)和可可碱(theobromine)等。 下面介绍几种植物中重要的常见生物碱以及它们的生态意义。 一、几种常见的植物生物碱 （一） 茄科植物生物碱 1、 烟碱（nicotine） 烟碱主要存在于茄科烟草属（Nicotiana）的植物中。豆科的金合欢属（Acacia），桑科的大,麻属（Cannabis），萝摩科的马利筋属（Asclepias），寻麻科和藜科等一些植物也含有烟碱。烟碱，俗称尼古丁，化学名称1-甲基-2(3-吡啶基)吡咯烷，分子式C10H14N2，是烟草中生物碱的主要成分，占生物碱总量的95。 烟碱 纯品为无嗅、无色或淡黄色油状液体。在低于60时，烟碱可与水任意混溶，极易溶于醇、醚、氯仿及石油醚等有机溶剂。能与各种,无机酸 (如盐酸、硫酸)和有机酸生成结晶的单盐和双盐。烟碱有剧毒，少量对中枢神经有兴奋作用，量大时能抑制中枢神经系统使心脏麻痹，以致死亡。 2 阿托品 阿托品是茄科托品烷类生物碱之一。这类生物碱的结构中含有一正托品烷基团。正托品烷8-位甲基化即为托品烷（tropane），再加上各式各样的侧链基团就组成了一类托品烷生物碱类。,阿托品 R=-CH2OH 莨菪碱 R=-CH2OH 阿托品是第一个被分离、结晶并广泛应用的托品烷类生物碱，最早是从颠茄（Atropa belladonna）中分离的，因此得名。阿托品是莨菪碱（hyoscyamine）在提取过程中的消旋产物。,阿托品是茄科托品烷类生物碱之一。这类生物碱的结构中含有一正托品烷基团。正托品烷8-位甲基化即为托品烷（tropane），再加上各式各样的侧链基团就组成了一类托品烷生物碱类。 托品类生物碱对多种动物有毒，能引起昏迷、瞳孔放大、呼吸困难和某些精神症状等。阿托品又是一种抗胆碱剂，又有医疗价值，常用于解除平滑肌痉挛和治疗有机磷农药中毒。这类药物还能解除微血管痉挛，改善微血管循环。,3.茄碱（solanine） 茄碱属甾类生物碱，具有基本的甾骨架，氮原子以环形或侧链形式与甾骨架相连，茄碱水解产生茄定（solanidine）和糖。茄碱广泛存在于茄科植物中。 茄碱,（一） 罂粟生物碱 吗啡（morphine）是罂粟科罂粟（Papaver somnifarum）所含的生物碱。 吗啡 (三)千里光双稠吡咯烷生物碱 双稠吡咯烷生物碱（pyrrolizidine aldaloids）,首先是从菊科千里光属（Senecio）植物中分离出来的，而众多的千里光植物（已知有180余种）也都含有它，所以，这类生物碱就历史渊源地和千里光联系在一起。这类生物碱分布广泛，有多种生物活性，并且是人和家畜的一种肝毒素，能诱发癌变，因而受到人们的很大关注。 (四)豆科双稠哌啶生物碱 双稠哌啶生物碱（喹嗪定生物碱，quinolizidine alkaloids,QA）主要存在于豆科植物之中，在桑寄生科的槲寄生属（Viscum）等也有少量存在。纯的QA对广谱生物都是有毒的，能驱拒许多食草动物的取食，如蜗牛、昆虫、兔和牛等。,二、生物碱的生态意义,已经证明生物碱有刺激或抑制种子发芽和生长的能力，可能有植物调节剂的作用。最著名的抑制细胞分裂的生物碱是秋水仙碱（colchicine）。越来越多的事例表明，生物碱在对抗动物的取食方面有着明显的作用。,第三章 植物毒素及其生态意义,第一节 非蛋白质氨基酸及其生态意义 第二节 生氰糖苷及其生态意义 第三节 生物碱及其生态意义 第四节 蛋白质毒素及其生态意义,第四节 蛋白质毒素及其生态意义,一、相思子毒素 二、蓖麻毒素 三、蛋白酶抑制剂 四、植物凝聚素,第四节 蛋白质毒素及其生态意义,一、相思子毒素 相思子毒素（abrin）是相思子树（Abrus precatorius）的种子相思子所含的毒素。相思子树缠绕腾本，羽状复叶，总状花序腋生，荚果菱状椭圆形，种子46粒，我国南方各省皆有分布。相思子又叫红豆或相思豆，椭圆形，体表约2/3为朱红色，1/3为墨黑色，引人喜爱，常被作为爱情的象征。王维有诗曰“红豆生南国，春来发几枝。愿君多采撷，此物最相思。”,诗人当年可能并不知道，在这鲜艳夺目的爱物之中，却包含着杀机。1966年Khan制得相思子毒素结晶纯品，并证明它是相思子中的主要毒素，是一种高毒性蛋白质细胞毒素，含量约为0.19%。其相对分子量为60 00065 000，由两条肽链组成，A链约为264个氨基酸、B链约为288个氨基酸组成，两条链通过二硫键连接。B链起载体作用，具有半乳糖凝集活性，可与细胞膜上受体结合，帮助链进入细胞内，链进入细胞催化60 大亚基的28 rRNA的第4324位脱去腺嘌呤而使60核糖体亚基失活，从而使细胞蛋白合成被抑制，产生毒效作用。但是，它对癌细胞比对正常细胞的毒性更强，这一点引起人们的注意。,相思子毒素在加热到65时，蛋白质变性，其毒性也随之丧失。相思子有剧毒，叶和根次之。动物误食后出现呕吐腹泻，呼吸困难，昏迷直至死亡。食入一粒相思子可使人中毒，马食下60 g也可死亡。其他动物抗性要大些。非洲有些地方的妇女喜爱相思子的艳丽，将它制成项链并戴在胸前。 目前人们对相思子毒素在医疗上的应用价值作了大量探索，由于该毒素的独有特征，随着研究的进一步深入，相信其在医疗上将会有更广阔的应用前景。,二、蓖麻毒素,蓖麻毒素（ricin）主要存在于大戟科蓖麻（Ricinus communis）的种子中。蓖麻毒素是一种糖蛋白，分子量为65 KD，由、两条肽链组成的异二聚体。链(RTA)分子量为30(或32)KD；链(RTB)的分子量为32 KD，两条链通过二硫键连接。链是一种糖苷酶。蓖麻毒素属凝集素，链上含有两个半乳糖结合位点，能与细胞上含半乳糖的糖蛋白或糖脂结合。作为糖蛋白，蓖麻毒素含有共价结合的糖分子，糖的主要组成是甘露糖、葡萄糖和半乳糖。蓖麻毒素有三条寡糖链，一条在链上，两条在链上。,贺永怀等（1987）研究蓖麻毒素时，证明其小鼠LD50为0.53 g，细胞毒性试验IC50为3.810-10 mol/。可见蓖麻毒素具有非常强的毒力和细胞毒作用。蓖麻毒素属核糖体失活蛋白，是一种细胞毒素，必须进入细胞，才能发挥毒性。蓖麻毒素通过链与细胞膜上半乳糖残基结合，促使链内化，加强、加快链的细胞毒作用。Sandvig等(1996)研究发现，内化的蓖麻毒素主要被运输到溶酶体降解，只有小部分到高尔基体。在一些非常敏感的细胞中，蓖麻毒素由高尔基体到达内质网，由于核糖体的大亚基与内质网膜结合，因此蓖麻毒素可作用于核糖体大亚基，使核糖体失活，从而抑制蛋白质合成。,蓖麻毒素对小鼠艾氏腹水瘤细胞、1210白血病、16黑痣瘤和Lewis肺癌均有明显作用，它通过抑制蛋白质合成来杀死癌细胞，因此可用来治疗癌症。目前，RTA和RTB均已克隆并在大肠杆菌中表达。将RTA表达的产品即重组链(rRTA)与单克隆抗体组成的免疫毒素与天然链的免疫毒素进行比较，它们都有相似的细胞毒作用，对乳腺癌、卵巢癌等也有相似的临床治疗效果。,三、蛋白酶抑制剂,天然的蛋白酶抑制剂(PI)是对蛋白水解酶有抑制活性的一种小分子蛋白质，由于其分子量较小，所以在生物中普遍存在。它能与蛋白酶的活性部位和变构部位结合，抑制酶的催化活性或阻止酶原转化为有活性的酶。蛋白酶抑制剂在植物中分布甚广，在许多农作物如小麦、大麦、玉米、豆类、番茄和马铃薯中均有存在，多见于种子和块茎内。在植物贮藏器官中，其含量通常高达总蛋白的10。植物叶片受到机械损伤或经化学物质处理，也会积累大量蛋白酶抑制剂。目前，豆科、茄科、禾本科及十字花科等植物的多种蛋白酶抑制剂已被分离纯化。根据同源性，已测定了氨基酸序列或DNA结构,的植物蛋白酶抑制剂可以分为10个族，它们在植物体内的生理功能主要是起防御作用，也可能有调节种子蛋白质水解的作用。 迄今为止，自然界共发现四大类蛋白酶抑制剂，根据作用于酶的活性基团不同及其氨基酸序列的同源性，可分为：丝氨酸蛋白酶抑制剂、巯基蛋白酶抑制剂(半胱氨酸蛋白酶抑制剂)、金属蛋白酶抑制剂和酸性蛋白酶抑制剂。 胰蛋白酶抑制剂(trypsin inhibitor，TI)是一种重要的生化药物和生化试剂，广泛存在于动、植物和微生物中，泛指具有胰蛋白酶抑制作用的多肽或蛋白质，能与相应的蛋白水解酶形成一定的动态平衡，调节生物体内许多重要的生命活动。根据其来源不同可分为多种，如从牛,肺或牛胰中提取的抑肽酶(aprotinin)、从人尿中提取的人尿胰蛋白酶抑制剂(urinary trypsin inhibitor，UTI)、从大豆中提取的大豆胰蛋白酶抑制剂(soybean trypsin inhibitor，SBTI)等。 在植物体中通常以大豆中胰蛋白酶抑制剂的活性最高。经过对它们结构和性质的研究，发现这些抑制剂可以分为两大类：其中一类为Browan-Birk(BBTI)抑制剂，因为Browan(1944)首先从大豆中分离并由Birk(1961)鉴定而得名。这类抑制剂的分子量为8 KD，有两个活性中心，故被称为双头(double headed)抑制剂；另一类为Kunitz抑制剂(KTI)，此类抑制剂由Kunitz(1945)首次从大豆中分离并结晶出来，因此而命名。这类抑制剂的分子量为21 KD，,由于分子内只有一个活性中心，因而又被叫做单头(single headed)抑制剂。这两类抑制剂均属典型丝氨酸蛋白酶抑制剂。与其他类型的蛋白酶抑制剂相比较，丝氨酸蛋白酶抑制剂活性位点的突变频率较高，显示这些突变体可能受到植物为抵御各种不同害虫或病菌的侵害所产生的选择压力的影响，因此，丝氨酸蛋白酶抑制剂在植物抗性研究中起着重要作用。 慈菇蛋白酶抑制剂A、B是从慈菇球茎中分离纯化的双头多功能蛋白酶抑制剂，除了具备其他蛋白酶抑制剂在抗虫抗病方面的特点外，还有很多独特的优点。如含量丰富、比活力高而且稳定；广谱性强；对胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、激肽释放酶等多种蛋白酶有较强的抑制作用。慈菇蛋白酶抑制剂A、B(APIA，API-B),的肽链均由150个氨基酸残基所组成；两者一级结构有91的同源性，仅有13个氨基酸残基的差异。根据其抑制特性，它们都应该属于丝氨酸蛋白酶抑制剂类。 基质金属蛋白酶（MMPs）是一个关系密切的锌-依赖蛋白水解酶家族，它们能够降解细胞外基质的所有成份，因此参与许多生理和病理过程。细胞外基质是肿瘤生长、扩散的主要屏障，有证据表明，MMPs在肿瘤生长和转移中起一定作用。因此MMPs抑制剂可能有助于恶性肿瘤的治疗。天然的MMP抑制剂称“组织MMPs抑制剂”或TIMPs。虽然已有相当多的临床前的研究，但还未成为治疗药物。目前的研究集中于研制低分子量（500 KD）合成MMPs抑制剂。,目前对于蛋白酶抑制剂的研究有相当一部分工作集中在转基因植物上，转基因技术已逐渐成为控制病虫害的有效工具。同使用大量农药的传统方法比较，通过转基因技术获得转基因作物具有对环境毒害小，成本低等优点，渐渐受到欢迎。自从1987年Hilde等首次将豇豆胰蛋白酶抑制剂转入烟草叶片并表达成功后，已有多种植物蛋白酶抑制剂顺利转到其他作物中去。高越峰等(1997，1998)从未成熟大豆子叶中，利用RT PCR的方法克隆到了大豆Kunitz型胰蛋白酶抑制剂基因SKTI，并采用农杆菌介导转化方法获得了转基因烟草。获得的转基因,烟草，经抗虫实验表明，具有明显的抗棉铃虫能力，并且通过对照研究表明，SKTI对胰蛋白酶活性的抑制能力明显高于豇豆胰蛋白酶抑制剂。当然，将蛋白酶抑制剂转入不同的植物，不仅可使受体植物获得抗性，转入的蛋白酶抑制剂还通过抑制蛋白酶的水解活力，保护其他的防御蛋白不被降解，有效提高植物防御能力，而且也为胰蛋白酶抑制剂的抗性机制的研究提供一定的线索。,四、植物凝聚素,植物凝集素（lectin）是一类具有至少一个非催化结构域，并能可逆地结合特异单糖或寡聚糖的植物蛋白。自从Stillmark（1888）首次在蓖麻种子抽提物中发现一种凝血因子和Sumner第一次分离纯化到植物凝集素伴刀豆球蛋白（ConA）以来，人们已经从豆科、茄科、大戟科、禾本科、百合科和石蒜科等众多植物类群中分离鉴定出几百种这类蛋白质，并对它们的性质、分子结构及功能作了大量的研究，许多工作已深入到基因水平。同类凝集素的氨基酸序列同源性极高，这种保守性暗示着凝集素在生物进化过程中以及植物生命过程中起着重要作用。,菜豆凝集素（PHA）是第一个被描述的具有抗虫性的植物凝集素。有趣的是，PHA对豆象幼虫具有毒性的结论是基于一个错误的实验结果，后来研究发现这种防卫作用是由于含有-淀粉酶抑制剂的缘故。如今许多实验表明，来源于麦胚、马铃薯块茎、核桃、沙棘、水稻和刺荨麻的凝集素对豌豆象甲幼虫和豇豆象甲幼虫的生长有抑制作用。麦胚凝集素和紫羊蹄甲种子凝集素在相当低的含量水平就使初孵玉米螟幼虫致死。雪花莲凝集素（Galanthusnivalisag glutinin，GNA）等对咀嚼式昆虫和刺吸式昆虫都有致死作用。黄大瞭等（1997）报道来源于掌叶半夏和半夏的凝集素对麦长管蚜、禾缢管蚜、棉蚜和桃蚜等有致死活性。,植物凝集素作为微生物与植物的共生介质，可防止植生病菌对植物的危害。已有实验证明，植物凝集素能结合真菌细胞、抑制孢子萌发和菌丝体生长。Mishkid等（1982）研究发现，植物凝集素常积累于病原菌易侵染的部位，预示着凝集素可能参与对病原菌的防御。刘士庄等（1996）报道，棉花种子中凝集素含量与棉花抗枯萎病能力呈正相关，分离纯化的棉花凝集素能明显凝集枯萎病菌分生孢子，并抑制其萌发。Peumans和NanDamme（1995）进行的体外研究表明，麦胚凝集素（WGH）抑制绿色木霉的孢子萌发和菌丝生长，狭叶荨麻凝集素抑制灰葡萄孢、钩状木霉和布拉克霉的生长。,Janzen(1975)报道了一种植物凝集素的生态意义。南美有一种豆象（CaliosoBruch- us maculates）只取食豇豆（Vigna unguiculatus）而不取食菜豆（Phaseolus vulgaris），其原因是豇豆不含植物凝集素，而菜豆中含量丰富。如在豇豆粉制成的人工饲料中加入15的植物凝聚素，就会引起豆象死亡。 采用cDNA克隆等策略和技术，已分离获得了一些植物凝集素的基因及其转基因植株，并分析了外源基因表达特征和对植物抗病虫性,的影响。目前成功应用于植物抗病虫基因工程的凝集素基因有:雪花莲凝集素、豌豆凝集素、麦胚凝集素和半夏凝集素等基因。如周岩等（1998）用他们自己克隆的雪花莲凝集素基因GNA与组成型表达的带双倍增强子的CaM35S启动子和韧皮部特异表达的CoYMV启动子，分别构建植物中间表达载体，通过土壤农杆菌介导转化烟草，所获得的转基因烟草植株具有较强的抗蚜活性，平均能够抑制桃蚜45%60%虫口密度。,第三章 植物毒素及其生态意义,第一节 非蛋白质氨基酸及其生态意义 第二节 生氰糖苷及其生态意义 第三节 生物碱及其生态意义 第四节 蛋白质毒素及其生态意义 第五节 不含氮毒素及其生态意义,第五节 不含氮毒素及其生态意义,一、苷类化合物 二、萜类化合物 三、酚类化合物,第五节 不含氮毒素及其生态意义,一、苷类化合物 苷类化合物是糖和非糖分子缩合而成的一类化合物，非糖部分称为配基。糖苷并不是一类结构化合物，植物中很多化学成分都能以糖苷形式存在，也有几种以糖苷形式存在的不含氮的植物毒素。 （一） 强心苷（cardenolides） 强心苷是C23的甾类化合物的配基和糖结合的糖苷，具有强心作用的一类化合物。强心苷类在C17位上含有一个不饱和的丁烯酸内酯；C14位有一个羟基；C5位常有构型差异。富含强心苷的科有玄参科、夹竹桃科、萝摩科和桑科等。,1见血封喉苷（antiarin） 见血封喉苷是桑科植物见血封喉（Antiaris