第五章植物体内有机物的转化和运输

第五章植物体内有机物的转化和运输主要内容植物的初生代谢和次生代谢萜类酚类含氮次生化合物植物次生代谢的基因工程植物体内有机物的运输短距离运输，长距离运输，运输机理，外界条件对有机物运输的影响，有机物的分配第一节植物的初生代谢和次生代谢代谢产物分类:初生代谢（primarymetabolites)：由光合作用产物直接转化形成的，并且可进一步转化为其他的代谢产物次生代谢：由糖类等有机物次生代谢衍生出来的物质。贮存于叶泡或细胞壁中，是代谢的最终产物初生代谢的相互联系代谢的主干：卡尔文循环、糖酵解、三羧酸循环和戊糖磷酸途径糖和脂肪是相互转变的糖与蛋白质也可以相互转变的。丙酮酸、乙酰辅酶A、α-酮戊二酸和草酰乙酸等中间产物在它们之间的转变过程中起着枢纽作用。核苷酸的核糖来源于戊糖磷酸代谢，碱基则是由氨基酸及其代谢产物组成的。Fig.5-1次生代谢萜类、酚类和生物碱次生代谢产物的作用是植物生命活动必须的：吲哚乙酸，赤霉素，叶绿素，类胡萝卜素，花色素防御天敌，保护自己特殊的代谢产物是药物和工业原料第二节萜类萜类的种类萜类（terpene)或类萜（terpenoid)不溶于水结构：异戊二烯萜类种类是根据异戊二烯数目而定，有单萜（monoterpene）、倍半萜（sesquiterpene）、双萜（diterpene）、三萜（triterpene）、四萜（tetraterpene）和多萜（polyterpene）在植物细胞中，低分子量的萜是挥发油，分子量增高就成为树脂、胡萝卜素等较复杂的化合物，更大分子量的萜则形成橡胶等高分子化合物。萜类对植物的作用是多方面的

萜的生物合成途径：甲羟戊酸途径-乙酰辅酶A甲基赤藓醇磷酸途径-丙酮酸和3磷酸苷油酸第三节酚类（phenol）酚类的种类酚类（phenol）是芳香族环上的氢原子被羟基或功能衍生物取代后生成的化合物，种类繁多，是重要的次级产物之一，有些只溶于有机溶剂；有些是水溶性羧酸和糖苷，有些是不溶的大分子多聚体。根据芳香环上带有的碳原子数目的不同可分为几种酚类化合物广泛分布于植物体，以糖苷或糖脂状态积存于液泡中。在酚类化合物中，有决定花、果颜色的花色素和橙皮素，有构成次生壁重要组成的木质素，也有作为药物的芸香苷（路丁）、肉桂酸和肉桂醇等酚类的生物合成植物的酚类化合物是通过多条途径合成的其中以莽草酸途径（shikimicacidpathway）和丙二酸途径（malonicacidpathway）为主。在高等植物，大多数通过前一种途径合成酚类；真菌和细菌通过后一种途径合成酚类。图5-6植物酚类物质的生物合成途径莽草酸途径糖酵解产生的磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和戊糖磷酸途径产生的D-赤藓糖-4-磷酸作用形成中间产物3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖酸-7-磷酸（3-deoxy-D-arabinoheptulosonicacid-7-phosphate），进一步环化成重要中间产物莽草酸。莽草酸再与PEP作用，形成3-烯醇丙酮酸莽草酸-5-磷酸（3-enolpyruvylshikimicacid-5-phosphate），脱去Pi，形成分支酸（chorismicacid）。分支酸是莽草酸途径的重要枢纽物质，它以后的去向分为两个分支：一个分支走向色氨酸，另一个分支是先形成预苯酸（prephenicacid），经过arogenicacid，然后再分支：一是形成苯丙氨酸（phenylalanine），另一是形成酪氨酸（tyrosine）（图5-7）。广谱除草剂草甘磷（glyphosate）之所以能除草，就是因为它能抑制催化莽草酸与PEP合成3-烯醇丙酮酸莽草酸-5-磷酸的酶。大多数植物次生产物是苯丙氨酸在苯丙氨酸解氨酶（phenylalanineammonia-lyase，PAL）作用下，脱氨形成桂皮酸（cinnamicacid）。PAL是初生代谢与次生代谢的分支点，是形成酚类化合物中的一个重要调节酶，它受内外条件影响，例如植物激素、营养水平、光照长短、病菌、机械损害等，可影响PAL的合成及其活性丙二酸途径本途径首先是1分子酰基CoA与3分子丙二酰CoA结合，脱羧，合成1分子多酮酸（polyketoacid）。多酮酸通过各种方式发生环化作用，形成间苯三酚衍生物，由于它们的R基性质不同，于是形成许多不同的黄酮衍生物简单酚类（simplephenoliccompound）广泛分布于维管植物。其结构有3类：1）简单苯丙酸（phenylpropanoid）类化合物，具苯环-C3的基本骨架，例如，反-桂皮酸（trans-cinnamicacid），对-香豆酸（para-coumaricacid）、咖啡酸（caffeicacid），阿魏酸（ferulicacid）；2）苯丙酸内酯（phenylpropanoiclactone）（环酯）类化合物，亦称香豆素A（coumarin）类，也具苯环-C3的基本骨架，但C3与苯环通过氧环化，例如伞形酮（umbelliforone），补骨脂内酯（psoralenlactone）、香豆素等；3）苯甲酸（benzoidacid）衍生物类，具苯环-C1的基本骨架，例如水杨酸（salicylicacid）、香兰素（vanillin）等（图5-8）。

图5-8不同类型的简单酚类化合物的结构

大多数植物酚类的生物合成是从苯丙氨酸开始的，经过PAL的作用，就形成各种简单苯丙酸类化合物、香豆素、苯甲酸衍生物、木质素、花色素苷、异黄酮、缩合鞣质及其他类黄酮（图5-9）。许多简单酚类化合物在植物防御食草昆虫和真菌侵袭中起重要功能。对-香豆酸木质素（lignin）植物体中的木质素（lignin）数量很大，仅次于纤维素，居有机物的第二位。木质素是植物体重要组成物质，广泛分布于植物界。木质素是简单酚类的醇衍生物（如香豆醇、松柏醇、芥子醇，5-羟基阿魏醇）的聚合物，其成分因植物种类而异，例如松柏木质素含有许多的松柏醇，还有一些香豆醇和芥子醇；山毛榉木质素的松柏醇和芥子醇数量相近，而香豆醇则很少；单子叶植物（尤其是禾谷类）的木质素则含有极多的香豆醇木质素的生物合成是以苯丙氨酸和酪氨酸为起点的。首先，苯丙氨酸转变为桂皮酸，桂皮酸和酪氨酸又分别转变为4-香豆酸，然后，4-香豆酸形成了咖啡酸、阿魏酸、5-羟基阿魏酸和芥子酸，它们分别与乙酰辅酶A结合，相应地被催化为高能CoA硫脂衍生物，进一步被还原为相应的醛，再被脱氢酶还原为相应的醇，即4-香豆醇、松柏醇，5-羟基阿魏醇和芥子醇四种醇类是组成木质素的基本单体，它们是在细胞质中形成的，经过糖基化作用，进一步形成葡萄香豆醇、松柏苷、5-羟基阿魏苷和丁香苷，再通过质膜运输到细胞壁，在β-糖苷酶作用下释放出相应的单体（醇），最后这些单体经过氧化和聚合作用形成木质素类黄酮类（flavonoid）种类植物酚类化合物另一大类物质是类黄酮（flavonoid）。它是两个芳香环被三碳桥连起来的15碳化合物，其结构来自两个不同的生物合成途径。一个芳香环（B）和桥是从苯丙氨酸转变来的，而另一个芳香环（A），则来自丙二酸途径，类黄酮是由苯丙酸、ρ-香豆酰CoA和3个丙二酰CoA分子在查耳酮合酶催化下缩合而成的。根据3C桥的氧化程度，类黄酮类可分为4种，即花色素苷（anthocyanin）、黄酮（flavone）、黄酮醇（flavonol）和异黄酮（isoflavone）。基本类黄酮骨架会有许多取代基，羟基常位于4，5，7位，它也常带糖，所以大多数类黄酮是葡糖苷。羟基和糖增加类黄酮的水溶性，而其他替代物（例如甲酯或修改异戊基单位）则使类黄酮呈脂溶性。功能不同类黄酮具有不同功能：1．呈现颜色植物的色素主要有两类：类胡萝卜素和类黄酮。类胡萝卜素是光合作用的辅助色素，呈黄、橙和红色。类黄酮包含各种有色的物质，其中最普遍的有色类黄酮是花色素苷。花、果大部分呈红、淡红、紫和蓝等色，都与花色素苷有关。鲜艳花色可吸引昆虫而帮助传粉，鲜艳果实可吸引动物食用而传播种子。花色素苷在C环部位3有糖，是葡糖苷；如果没有糖，则称为花色素（anthocyanidin）（图5-12）。花色素苷是黄酮类化合物，溶解于细胞液中，在植物界中分布极广，花、果实和叶片的颜色往往与它有关。花色素苷的颜色受许多因子影响，例如B环上的羟基和甲氧基数目，芳香酸对主要骨架的酯化和液泡中的pH值等。B环上取代基不同花色有差异。羟基数越多，吸收光向长波迁移，颜色偏蓝；羟基被甲氧基替代，吸收光向短波迁移，颜色偏红。同一花色素的颜色也会有变化，主要是受细胞液的pH决定，偏酸性时呈红色，偏碱性时为蓝色。低温、缺氮和缺磷等不良环境也会促进花色素的形成和积累防御伤害黄酮类和黄酮醇类不只存在于花器官，也存于绿叶中，由于这两类物质积累在叶和茎的表皮层，吸收紫外线B（UV-B，280～320nm），因此避免了细胞受到强烈UV-B的伤害，这两类物质允许可见光通过，不影响光合作用进行。最近实验证明，类黄酮类是植物的紫外光保护剂。缺乏查耳酮合酶活性的拟南芥突变体，不产生类黄酮，对UV-B较野生型敏感，在正常条件下生长极差。如果将UV-B过滤掉，植物就正常生长。异黄酮类属于类黄酮，具有不同的功能，例如鱼藤根中的鱼藤酮（rotenone）有很强的杀虫作用；植株受细菌或真菌侵染后形成的植物防御素（phytoalexin）能限制病原微生物进一步扩散鞣质在植物酚类多聚体中具有防御功能的，除了木质素外，就是鞣质（tannin，俗名丹宁），其相对分子质量大多数为600-3000。鞣质可分两类：缩合鞣质（condensedtannin）和可水解鞣柔（hydrolyzabletannin）。缩合鞣质是由类黄酮单位聚合而成，相对分子质量较大，是木本植物的组成成分，可被强酸水解为花色素。可水解鞣质是不均匀的多聚体，含有酚酸（主要是没食子酸gallicacid）和单糖，相对分子质量较小，易被稀酸水解。第四节含氮次生化合物生物碱（alkaloid）是一类含氮杂环化合物，通常有一个含N杂环，其碱性即来自含N的环。目前已发现含有生物碱的植物将近一百多个科，其中豆科、夹竹桃科、罂粟科、毛莨科、防己科、马钱科、茄科、芸香料、茜草科、石蒜科等多含生物碱。一科植物中常含多种结构相似的生物碱，如麻黄中已发现7种有机胺类生物碱。生物碱在植物体内的分布并不一致，如古柯碱（可卡因）集中在叶内，奎尼碱集中在树皮，香木鳖碱集中在种子，石蒜碱集中在鳞茎植物器官中的生物碱含量很低，一般在万分之几到百分之一二（象金鸡纳树皮那样含奎尼碱12%是极少的）。植物在不同生长时期所含生物碱的成分及含量常有不同。有些多年生的植物，随年龄增长，某部分的含量逐渐增加，如金鸡纳树皮的奎尼碱随树龄的增长而增加，小檗根中的小檗碱（黄连素）含量也随植物年龄增长而增加。植物生物碱含量亦受外界条件的影响而改变，如氮肥多时，烟碱含量就高生物碱是植物体氮素代谢的中间产物，是由不同氨基酸衍生来的，尤其赖氨酸、酪氨酸、色氨酸。烟碱（nicotine）是烟草中的主要生物碱。烟碱的生物合成是由天冬氨酸和3--磷酸甘油醛合成烟酸（nicotinicacid），进一步与精氨酸生物合成的中间产物鸟氨酸（ornithine）合成为烟碱Figure5-13

鸟氨酸甲基吡咯啉生物碱是核酸的组成成分，又是维生素B1、叶酸和生物素的组成成分，所以具有重要的生理意义；它对动物往往有毒性，所以也有防御敌害的意义。生物碱是重要药物的有效成分，许多中药的有效成分往往是生物碱，比如有平喘作用的麻黄，其有效成分是麻黄碱；有抗菌效果的黄连，其有效成分是小檗碱；有止痛作用的元胡，其有效成分是延胡索乙素等多种生物碱。现在西药常用的重要药品，最初还是从植物分离出来证实有效后化学合成的，例如从萝芙木分离出来的利血平，从金鸡纳树皮分离出来的奎宁等。在抗癌药物中有从长春花中分离出来的长春新碱，从粗榧分离的三尖杉酯碱，从美登木分离的美登木碱等含氰苷含氰苷（cyanogenicglycoside）广泛分布于植物界，其中以豆类、禾谷类和玫瑰一些种类最多。含氰苷本身无毒，但植物破碎后就会释放出有挥发性的毒物氰化氢（HCN）。在完整植物中，含氰苷存在于叶表皮的液泡中，而分解含氰苷的酶——糖苷酶（glycosidase）则存在叶肉中，互不接触。当叶片被咬碎后，含氰苷就与酶混合，含氰苷中的氰醇（cyanohydrin）和糖分开，前者再在羟基腈裂解酶（hydroxynitrilelyase）作用下或自发分解为酮和HCN。昆虫和其他草食动物（如蛇、蛞蝓）取食植物后，产生HCN，呼吸就被抑制。木薯（manihotesculenta）块茎含较多含氰苷，一定要经磨碎、浸泡、干燥等过程，除去或分解大部分含氰苷后，才能食用。第五节植物次生代谢的基因工程花卉育种植物花的颜色与类黄酮有关，而查耳酮合酶（CHS）是类黄酮生物合成的关键酶，也是花色素合成的关键酶。陈章良等从矮牵牛中分离出CHS的cDNA，将cNDA与CaMV的35S启动子反向连接，再把此反义基因系统连到双元载体Bin19上，得到矮牵牛转基因植株，其花色从原来的紫红色变为粉红色并夹有杂白色或全白色，这种反义RNA技术为园艺学育种提供了一条新途径农作物性状改良利用基因工程改变植物的次生代谢，可使植物合成新的植物抗毒素，以增加抗病能力，或抑制某些性状，以提高产品品质，例如，1,2一二苯乙烯合成酶是合成植保素白藜芦醇的关键酶，正常烟草不含这种酶。将花生的二苯乙烯合成酶转入烟草，烟草便合成此植保素，增强对灰葡萄孢菌（Botrytiscierea）的抗性。用正义和反义序列的0-甲基转移酶基因转化烟草，就可以控制植物中木质素的合成。这对未来的蔬菜基因工程很有意义药用植物的细胞工程与基因工程我国的人参、紫草等植物的细胞大规模培养获得成功。人参细胞培养已进入商业化生产；紫草细胞的发酵罐培养规模已达100升，其有效成分紫草素含量可达细胞干重的10%。发根农杆菌（Agrobacteriumthigogemes）可感染植物受伤部位，菌中Ri上的T-DNA片段整合到植物细胞基因组内，诱导毛状根产生。近年来发根培