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1、摘要 介绍了葫芦巴碱在植物体内的代谢和生理功能,包括葫芦巴碱在细胞周期的调节、信号分子、氧化和紫外胁迫、盐和干旱胁迫、感夜运动和 dna 甲基化等方面的最新研究进展。关键词 葫芦巴碱; 细胞周期; 胁迫; 感夜运动; dna 甲基化中图分类号s481文献标识码a文章编号0517 6611( 2012) 10 05876 03physiological functions of trigonelline in plantswu fei et al ( key laboratory of forest plant ecology,ministry of education,northeast fo
2、restry university,harbin,heilongjiang150040)abstract this paper introduced the metabolism and physiological functions of trigonelline in plants,and showed the recent studies on trigo-nelline,including on its regulation of cell cycle,signal molecular,oxidative and ultraviolet stress,drought and salt
3、stress,nyctinastic move-ment and dna methylationkey wordstrigonelline; cell cycle; stress; nyctinastic movement; dna methylation葫芦巴碱( trg) 是从豆科植物蝶形花亚科葫芦巴属葫芦巴( trigonella foenum-graecum l ) 的干燥种子中分离的一 种生物碱1,因而定名葫芦巴碱,是葫芦巴干燥种子中的主 要生物碱之一。在中医药典中,trg 具有温肾、祛寒、止痛之 功效,是治疗肾脏冷 虚、小 腹 冷 痛、寒湿脚气的主要药 物2 3。在西医 治 疗 中
4、,trg 主要用于治疗糖 尿 病4 5、肿 瘤6 7和肝损伤8等。因此,人们对葫芦巴碱的医用价值比 较重视。自 evans 等提出葫芦巴碱具有促进细胞周期 g2 期 停止的作用,具备植物激素的特性,引起人们的关注9。近 些年,有关葫芦巴碱的研究资料越来越多,并涉及到植物的 各种生 理 生 化 功 能,受到人们的关 注,已成为研究的热 点10。笔者就此领域内的研究进展加以归纳,旨 在 为 相 关 研究提供参考。1 葫芦巴碱在植物体中的分布葫芦巴碱是一种生物碱,葫芦巴属葫芦巴种子中含量较 高,达到种子干重的 0 13%11。青咖啡豆在烘烤后含有大 量的葫芦巴碱,并且是咖啡中的主要挥发性物质,是主要
5、的 提神物质12。葫芦巴碱广泛存在于不同高等植物中。大豆 和苜蓿干燥种子中含有葫芦巴碱13。咖啡树的各部分器官 都含有葫芦巴碱,其中根系的含量小于地上 组 织14。在 白 皮云杉( picea glauca) 的种子胚中含有葫芦巴碱15。在紫茉 莉根中,胡芦巴碱含量为 0 15 0 19 mg /g16。当植物受到 盐胁迫和水分逆境时,植物体内葫芦巴碱大 量 积 累17。另 外,已发现含有葫芦巴碱的植物有18: 茄( soanum melongena l ) 的叶; 使 君 子 ( quisqualis indica l ) 的 叶 和 种 子; 南 瓜( cucurbita moschata
6、 duch ) 的果实; 臭马比木( mappia foetidamiers) ; 田 皂 角 ( aeschynomene indica) 的 全 草; 小 叶 买 麻 藤gnetum parvifolium( warb ) c y cheng的 藤; 白 亮 羊 蹄 甲 ( bauhinia candicans) ; 相 思 子 ( aburs precatorius l ) 的 种 子;兵豆( lens culinaris medic) 的 种 子; 臭 味 假 柴 龙 树 ( nothapo-dytes foetida( wight) sleum ) 的茎。2 葫芦巴碱的代谢葫芦巴碱是
7、尼克酸甲基化的产物,是植物体内的烟酰胺 腺嘌 呤 二 核 苷 酸 ( nad) 和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 磷 酸( nadp) 代谢或转化而产生的。ashihara 等利用细胞培养的 方法,借助3 h 示踪技术,研究了葫芦巴碱的代谢过程15。喹 啉酸在磷酸核糖转移酶作用下转变成为尼克酸单核苷酸,从 尼克酸单核苷酸开始有 2 条代谢途径形成葫芦巴碱( 图 1) : 一是尼克酸单核苷酸在 5 核苷酸酶和嘌呤核苷酸分解酶 的作用下形成尼克酸,尼克酸转化成 n 糖苷尼克酸和葫芦 巴碱; 另一条途径是尼克酸单核苷酸在尼克酸嘌呤核苷转移 酶作用下转化成尼克酸腺嘌呤二核苷酸,在 nad 合成酶催 化下转化成
8、nad,由 nad 通过 5 核苷酸酶和嘌呤核苷酸 分解酶的连续催化下形成尼克酸,再可进行尼克酸转化成 n 糖苷尼克酸和葫芦巴碱。第 2 条途径中的 nad 是受吡啶 核苷酸循环的影响,在形成葫芦巴碱的过程中整个吡啶核苷 酸循环的周转速度可能很快。由此可见,葫芦巴碱可以作为 尼克酸的储存物质。图 1 的循环会受到细胞内 pi 浓度大小的影响,同时吡啶化合物的吸收、代谢和嘌呤代谢紧密相关。吡啶化合物的运输 系 统 需 要 atp,nad 的 合 成 也 需 要 atp的供给。ashihara 等进一步分析认为: 在缺磷细胞中,吡啶化 合物低吸收量和 nad 低合成量与合成 atp 或 gtp 量
9、较少有关15。mazzafera 等认为,葫 芦 巴碱可能在咖啡种子中作为与 nad 相关的分子,仅存在于种子萌发的早期或 胚 轴 等 组 织 中19。lance 等认为,葫芦巴碱在绿豆种子萌发过程中从子 叶转移到胚轴,它的合成主要在胚轴中,而且在胚的发育过 程中含量在逐渐降低20。同时,葫芦巴碱在绿豆 种 子 中 起 到解毒的作用,以防止在 nad 循环中因过量释放尼克酸和 尼克酰胺对种子的毒害作用。3 葫芦巴碱的生理作用作者简 介 武 菲 ( 1987 ) ,女,黑龙江哈尔滨人,硕 士 研 究 生,研 究 方向: 植物活性成 分 分 离、鉴 定和结构修饰及其活 性 作用机 制。* 通讯作者
10、,教授,博 士 生 导 师,从事植物化学与植物 药研究。3 1植物细胞周期的调节物质葫芦巴碱在植物细胞中收稿日期2012-01-09特殊蛋白质合成上起了作用。3 2葫芦巴碱信号分子的作用根瘤菌是一类广泛分布于土壤中的革兰氏阴性细菌,与相应的豆科植物及少数非豆科植物根系共生,能将空气中的分子态氮还原为植物可利用 的氨,同时根瘤菌则从豆科植物中获得其生长繁殖所需的能 量和营养 物 质25 26。宿主植物根系在根 际周围分泌类黄 酮,类黄酮可作为信号物质实现了固氮菌和宿主之间的识 别。苜蓿根系分泌的葫芦巴碱能激活调节蛋白 nodd2,从而 诱导结瘤基因 nod 的表达。phillips 等在研究苜蓿
11、( medicago sativa l ) 根瘤固氮时发现,苜蓿根系释放葫芦巴碱到根际,27能激活 trc 基因的表达,促进了根瘤菌侵染 根 系 的 能 力。注: 1 指尼克酸核苷腺嘌呤转移酶; 2 指 nad 合成酶; 3 指核苷焦磷酸酶; 4 指 5-核苷酸酶; 5 指嘌呤核蛋白分解酵素; 6 指烟酰 胺酶; 7 指烟碱磷酸核糖转移酶。葫芦巴碱和尼克酸 n 糖苷 分别是尼克酸在 n 转甲基酶和烟碱 n 葡萄糖基转移酶的 作用下形成的。尼克酸也可能通过烟碱磷酸核糖转移酶 7 逆 反应生成,和 /或通过 5-核苷酸酶和嘌呤核蛋白分解酵素催化 的连续反应生成。图 1 葫芦巴碱代谢过程具有调解细胞
12、生长周期的作用。细胞周期是指从一次细胞 分裂结束形成子细胞到下一次分裂结束形成新的子细胞所 经历的时间。细胞周期可分为以下 4 个时期: m 期、g1 期、s 期和 g2 期。m 期: 从细胞分裂开始到结束,包括染色体的凝 缩、分离并平均分配到两个子细胞,分裂后的细胞内 dna 减 半,这个时期亦称 d 期。g1 期: 从有丝分裂完成到 dna 复 制之前的这段间隙时间,在这段时期中有各种复杂大分子包 括 mrna、trna、rrna 和蛋白质的合成。s 期: dna 复制时 期,这期间 dna 的含量增加 1 倍。g2 期: 从 dna 复制完成 到有丝分裂开始的一段间隙。细胞周期严格按照
13、g1 s g2 m 的顺序运转。evans 等发现,豌豆( pisum sativum) 子叶的提 取 物 能 使豌豆根尖和茎尖分生组织的细胞周期中的 g2 期停止( g2 ar-因此,葫芦巴碱可作为信号物质存在于宿主植物中。豆科植物中的葫芦巴碱是由位于 psym 质 粒 上 的 基 因 所 控 制 的。 rhizobium meliloti 菌株 rcr2011 上的多基因位点控制着葫芦 巴碱的代谢。通过对 tn5 b20 基因缺陷型的根瘤菌研究表 明,trc 基因位于 nifab 和 fdxn 基因下游,约 9 kb 长度。葫芦 巴碱可以作为碳源,能增强土著根瘤菌的侵染能力,提高豆 科植物
14、的固氮能力。am 真菌与植物共生,可以提高植物根系对水分和养分 的吸收能力,增强植物在逆境下的生存能力28 29。am 真菌能与绝大多数的高等植物( 主要是草本植物及少部分木本植 物) 形成共生体系30。rojas-andrade 等在研究半干旱地区 的一种豆科灌木植物 prosopis laevigata 与 am 真菌的共生关 系时,利用核磁共振和质谱仪鉴定出 p laevigata 根系分泌 出葫芦巴碱31。当没有 am 真菌存 在 时,p laevigata 分 泌 的葫芦巴 碱 含 量 比 较 稳 定; 当 根 际 中 am 真 菌 存 在 时,p laevigata 根系分泌的 t
15、rg 含量增加了 1 8 倍,说明 trg 作 为信号物质,在 p laevigata 和 am 真菌的共生体系中起着重要作用。3 3葫芦巴碱在氧化胁迫和紫外( uv) 胁迫中的作用植物在氧化胁迫和紫外胁迫,以及施用诱导植物突变的物质时,细胞中 的 dna 链出现断裂是这些逆境破坏的结果之 一32。尼克酰胺作为植物信号转导物质,激活 adp rib 聚 合酶( padprp) 的 活 性33。在 正 常 的 dna 存 在 情 况 下, padprp 处于钝 化 状 态,只 有 dna 链 发 生 断 裂 时,padprp 活性被激活。padprp 的激活并不是在基因的数量上,而是体现在 pa
16、dprp 与断裂 dna 的相互作用上。padprp 作为位置接近于 dna 结合蛋白的 adp rib 聚合酶,当 padprp 活性增加,会消耗大量的 adp rib,adp rib 主要来自于 尼克酰胺和葫芦巴碱的降解。因此,植物细胞受到氧化胁迫 和紫外胁迫时,葫芦巴碱发挥着非常重要的作用( 即抗紫外 胁迫和氧化胁迫的作用) 。这种结果在 uv b 胁迫下豌豆 叶片上得到了进一步证明34。在强紫外线照射 下,豌 豆 叶 片中积累了大量的葫芦巴碱和尼克酰胺等物质,可有效地作 为植物体针对氧化胁迫发出的信号分子,同 padprp 一起在 植物防御代谢过程中起到重要作用。9rest) 或减慢
17、g2 期 。经过鉴定,这种提取物的有效成分为葫芦巴碱。后 来 发 现,在未萌发的种子中 有大量的葫芦巴 碱,种子萌发后转移到幼苗的各个器官中。当葫芦巴碱溶液的浓度达到 10 7 mol /l 时,根部分生组织细胞中 45% 的细胞处在 g2 期。由于葫芦巴碱在根系分生区的积累,细胞大部 分进入 g2 期,延长了细胞的 g2 时期。所以,葫芦巴碱被认为是一种天然的植物激素21。mazzuca 等以莴苣( lactuca sativa l ) 的根尖组织作为试 验材料,利用 dna 放射自显影技术,用 3 mmol /l 葫芦巴碱处理根尖组织,发现 dna 复制子的长度为 31 m,没有经过 葫芦
18、巴碱处理的 dna 复制子长度为 13 m22。说明葫芦巴 碱处理可避免 dna 复制子在 s 期 dna 复制发生绑扎现象,延长了细胞周期中的 g2 期,或 g2 期停止,减小了原生根系 的伸长速率。kidd 等认为,葫芦巴碱处理使复制子加长,单 链 dna 的复制叉的速率增大23。利用葫芦巴碱处理莴苣根尖组织发现,细胞核的核仁膨 大24,核仁的变化伴有蛋白质构型的改变,说明葫芦巴碱在3 4 葫芦巴碱在盐胁迫和干旱胁迫中的作用在盐和干旱胁迫下,植物细胞积累有活性的无毒害作用的溶质,降低cho 等对 17 个大豆品种分别进行 30、70 和 100 mmol /l盐处理 3 d,大豆叶片中葫芦
19、巴碱含量由未处理的平均 109 8g /g( dw) 增加到 131 1 g /g( dw) ,其中抗盐品种增加 1 5倍以上35。william 等在研 究 苜 蓿 ( medicago sativa) 的 抗 盐 性时发现,盐胁迫下脯氨酸含量增加了 5 倍,葫芦巴碱的含量增加了 2 倍36。在盐胁迫下,脯氨酸和苷氨酸甜菜碱含量增加,葫芦巴碱表现出与脯氨酸和苷氨酸甜菜碱同样的结 果,与渗透调节物质要求的条件相一致,具有渗透调节物质的功能,可作为抗盐胁迫的指示物质36。渗透调 节 从 理 论 上来讲可以通过 3 个途径来达到: 水分减少; 细胞体积变小; 溶质增加。除了葫芦巴碱含量的增加提高细
20、胞的溶质浓度之外,葫芦巴碱可作为细胞周期的调节因子,抑制细 胞的伸长生长,缩小细胞体积,相对提高细胞溶质的浓度,起到渗透调节的作用36。干旱条件下,18 个大豆品种中 15 个大豆叶片中葫芦巴 碱含量增加37。但是,葫芦巴碱增加的量并没有 达 到 渗 透 剂节的要求,而主要作为细胞分裂的抑制物质,在干旱条件下抑制细胞的伸长生长。终与植物建立共生关系,都离不开植物根分泌的信号分子的诱导,二者在信号传导途径上有着密切的联系,在宿主植物 体内的定殖过程有着惊人的相似性43。以前普遍认为这种信号分子主要为类黄酮类物质或酚类物质,葫芦巴碱亦可作为信号分子,但其作用机理不是很清楚,有待进一步从信号 转导方
21、面加以研究。从葫 芦 巴碱的代谢上 看,葫芦巴碱主要是由 nad / nadp 转化而来,并作为尼克酸的储存库。因此,在细胞内与nad /nadp 代谢有关的生理生化过程是否涉及葫芦巴碱,尤其是在光合作用和呼吸作用过程中,外界不良环境会对细胞积累 nad /nadp,那么是否转化为葫芦巴碱储存起来,以减轻代谢过程中 nad /nadp 过剩产生对细胞的压力,另外,葫芦巴碱代谢可消耗 dna 甲基化的甲基供体 s 腺苷蛋氨酸,对 dna 甲基化具有一定的调节作用,因此在基因转化中 控制基因沉默是否具有调控作用,均有待进一步研究。参考文献1khanna p,jain s c effect of n
22、icotinic acid on growth and production of trigonelline by trigonella foenum-graecum l tissue culturesj indian j exp biol,1972,10:248 2492周淑晶 中药葫芦巴的化学成分研究进展j 中药研究与信息,2000,2(5):19 223陈勇,沈少林,陈怀侠,等 hplc-msn 法鉴定葫芦巴碱及其在大鼠体内 的主要代谢产物j 药学学报,2006,41(3):216 2204zia t,hasnain s n,hasan s k evaluation of the ora
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27、f glycine max (l ) merr and medicago sativa lj plant physiology communications,2006,42(6):1153 115514 zheng x q,ashihara h distribution,biosynthesis and function of purine and pyridine alkaloids in coffea arabica seedlingsj plant sci-ence,2004,166:807 81315ashihara h,stasolla c,yin y l,et al de novo
28、 and salvage bio- synthetic pathways of pyridine nucleotides and nicotinic acid conjugates in cultured plant cellsj plant science,2005,169:107 114( 下转第 5914 页)3 5在植物叶片感夜运动中的作用植物的感夜性运动主要是由昼夜光暗变化引起的。叶片在白天合成生长素,运到叶柄下半侧,k + 和 cl 也运输到生长素浓度高的地方,水 分就进入叶枕,细胞膨胀,导致叶片高挺。到晚上,生长素运输量减少,进行相反反应,叶片就下垂38。ueda 等利用 1 1
29、0 7 mol /l 葫芦巴碱处理 aeschynomene indica 叶片发现,叶 片在白天闭合,其效果与生长素相类似,主要是葫芦巴碱与 叶片张开的因子生长素相互竞争的结果,可作为植物体内的昼夜节奏的信号物质39。在 dna 甲基化中的作用dna 甲基化是在不改变基3 6因组序列的前提下,通过 dna 和组蛋白的修饰来调控基因表达。dna 甲基化是一种由 dna 甲基转移酶( dnmts) 介 导的,以 s 腺苷蛋氨酸( sam) 为甲基供体,dna 的胞嘧啶环 5 位获得甲基而形成 5 甲基胞嘧啶的过程,是造成植物转基因沉默的主要原因之一40。在基因遗传转 化 过 程 中, 即外源基因
30、“入侵”时,尼克酸含量大量增加41。dna 甲基化修饰主要是 dna 胞嘧啶 c 5 位甲基转移酶( dna 甲基 化酶) 识别 dna 的 5 cg 3序列( cpg) ,把 sam 的甲基转移到胞嘧啶的 5 位,生成 5 甲基胞嘧啶( 5mc) 。烟碱( nic- otinamide ) 脱酰胺后形成尼克酸,尼克酸甲基化后形成葫芦巴碱,消耗 dna 甲基化的甲基供 体 ( sam) 42。因 此,葫 芦巴碱代谢影响 dna 的甲基化,与基因沉默密切相关。4 结语葫芦巴碱引起生物学者的关注,是因为其能使植物根尖 组织细胞周期的 g2 期停止或减慢 g2 期,并被作为一种植物3choosai
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36、。蚯蚓可以 通过排粪、作穴、搅动等活动来改善土壤的营养状况。另外, 土壤酶活性与土壤微生物活动有很强的相关性11。土壤脲 酶是土壤中氮素转化的关键酶,能分解有机氮化合物,为植 物提供氮素营养。徐晓燕等也发现,蚯蚓活动能够增加农田 土壤中脲酶活性12。接种蚯蚓及植物促生根际细菌可能改 善了甘蓝根际土壤中脲酶活性、速效钾浓度。蚯蚓 植物促 生根际细菌之间的交互作用对土壤中各种酶的作用还需要 更深入的研究。综合甘蓝根上部分的生物量、氮和钾的吸收 量以及甘蓝根际土壤中氮和钾的营养状况等因素,混合接种 方式是一种有潜力的生物技术,可以用来减少蔬菜生产中的 化肥施用量,特别是对大范围的依赖有机物分解释放养
37、分的 有机农业尤为重要。参考文献1骆永明,章海波,吴春发 我国土壤环境污染问题与对策c/ /骆永明中国主要土壤环境问题与对策 南京:河海大学出版社,20082mishima s,endo a,kohyama k nitrogen and phosphate balance oncrop production in japan on national and prefectural scalesj nutrientcycling in agroecosystems,2010,87:159 173檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪gy a
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