
植物尿囊素在抗逆性应答中作用2017414.docx
12页16-0512doi:收稿 2016-12-00 修订 2017-资助 河北省自然科学基金(C2015408022)和河北省大学生创新创业训练计划项目 (201510100033) 通讯作者(E-mail: yx_sun70@)尿囊素在植物抗逆性应答中的作用 张一名, 褚卓栋, 冯雪, 孙艳香*, 龚艳红 廊坊师范学院生命科学学院, 廊坊 065000摘要: 在高等植物中, 尿囊素是嘌呤降解途径上的一种中间产物, 不仅是氮素转运、存储过 程中的重要物质, 而且在植物抗逆性应答过程中也发挥着重要作用本文总结了植物尿囊素 的代谢途径、逆境胁迫响应以及尿囊素信号调控和传导的最新研究进展, 并就未来其在植物 抗逆生理和育种方面的研究与应用作出展望关键词: 尿囊素; 代谢途径; 胁迫应答; 信号转导尿囊素(allantoin, C4H6O3N4)是植物氮素循环系统的重要成员自上世纪初 Macalister (1912)首次在聚合草(Symphytum officinale L.)中提取出后,其在植物体内一直被认为是嘌吟 分解过程中的一种中间代谢物 , 参与植物体内氮素的转运、存储以及再利用等活动 (Matsumoto等1978; Smith和Atkins 2002; Rentsch等2007)。
此外,国内早期的研究显示外源施 加尿囊素可提高农作物的产量(谢德意等1993; 凌杏元等1995; 许鸿源等1997)近年来研究 发现,植物在病原菌侵染(Montalbini 1991)、低温(Kaplan等2004; Wang P等2012)、营养缺乏 (Nikiforova等2005)、暗处理(Brychkova等2008)、高盐(Kanani等2010; Wang WS 等2016; Lescano等2016)以及干旱(Oliver等2011; Silvente等2012; Yobi等2013)等胁迫条件下,均伴有 尿囊素的积累同时, 体内较高的尿囊素水平或者外施尿囊素又可诱导植物体的一系列胁迫 应答反应(Takagi等2016; Watanabe等2014a)由此可见,尿囊素在植物的抗逆应答中也发挥 着重要作用本文旨在通过综述植物尿囊素的代谢途径及其参与植物胁迫响应的相关研究进 展, 梳理其在植物抗逆性应答过程中的作用方式, 拓展对其在植物抗逆生理中的认识, 为植 物抗逆机理以及抗逆育种的研究提供新思路1 植物尿囊素的代谢途径高等植物体内尿囊素合成的主要途径是通过嘌吟降解过程完成(如图1所示)。
腺嘌吟核 苷酸(adenosine monophosphate, AMP)与鸟嘌吟核苷酸(guanosine monophosphate, GMP)经过 脱氨作用后,均转化为黄嘌吟(xanthine),又在黄嘌吟脱氢酶(xanthine dehydrogenase, XDH) 的催化下生成尿酸(uric acid)尿酸在尿酸氧化酶(urate oxidase, UOX)、尿囊素合酶(allantoin synthase, AS)作用下生成尿囊素其中,AMP、GMP向黄嘌吟的转化以及形成尿酸的过程在 细胞质基质中完成(Stasolla等2003),尿酸到尿囊素的代谢在过氧化物酶体中进行(Hanks等 1981)随后,尿囊素可以在酰脲渗透酶(ureide permeases, UPS)及其他尿囊素转运蛋白 (allantoine transporters)的作用下,进入细胞质参与多种代谢活动(Schmidt等2004),也可外泌 到细胞间质,参与氮素转运(Smith和Atkins 2002; Baral等2016);或者排出植物体,参与化感 作用(Wang P等2007)尿囊素分解代谢主要是在内质网进行(Werner等2013)(图1),首先在尿囊素酶 (allantoinase) 的 作 用 下 生 成 尿 囊 酸 (allantoate) 。
随 后 通 过 两 条 途 径 形 成 尿 羟 乙 酸 (ureidoglycolate), 一条是在尿囊酸酶(allantoicase)的作用下直接生成,同时释放一分子尿素; 另一条途径是先转化为脲基甘氨酸(ureidoglycine)同时释放一分子的NH3和CO2,再生成尿羟 乙酸和一分子NH3接下来尿羟乙酸被尿羟乙酸裂解酶(ureidoglycolate lyase)或尿羟乙酸水解 酶(ureidoglycolate hydrolase)转化为乙醛酸(glyoxylate),并分别生成尿素或NH3和CO2 (Zrenner 等2006)图1 植物尿囊素的代谢过程Fig.1 Metabolic pathway of allantoin in plants依Zrenner等(2006)和Lescano等(2016)修改①黄嘌吟脱氢酶;②尿酸氧化酶;③尿囊素合酶;④酰脲渗 透酶与尿囊素转运蛋白;⑤尿囊素酶;⑥尿囊酸酶;⑦尿囊素脱氨酶(allantoin deaminase);⑧脲基甘氨酸氨 基水解酶(ureidoglycine);⑨尿羟乙酸裂解酶;⑩尿羟乙酸水解酶2 植物体内尿囊素的逆境胁迫应答早期的研究认为,高等植物氮素代谢与渗透胁迫响应存在某种联系(Morgan 1984)。
环境 中的水分胁迫是最典型、最直接的渗透胁迫, 因此, 尿囊素参与植物胁迫响应, 较多体现于 干旱胁迫的相关研究中Oliver等(2011)研究发现,在60%水分条件下,抗旱型复原草(Sporobolus stapfianus)与干 旱敏感型(Sporobolus pyramidalis)相比,体内尿囊素含量高出8倍在大豆(Glycine max L. Merr.)中也存在类似现象对干旱胁迫下(土壤持水量23%)大豆耐旱品种(NA5009RG)和敏感 品种(DM50048)的代谢组数据进行主成分分析(principal component analysis, PCA),表明尿囊 素的含量变化是区分抗旱品种和干旱敏感品种的一个主要标志(Silvente等2012)此外,对比 耐旱性不同的菜豆品系发现,干旱胁迫下,各品系植株均发生酰脲类化合物(ureides)积累, 虽然干旱敏感品系中存在更高的酰脲水平, 但所积累的酰脲多为尿囊酸,而抗旱品系所积累 的酰脲中则以尿囊素为主(Coleto等2014)卷柏科植物Selaginella lepidophylla是一种可从轻 度风干状态下恢复的耐旱植物,水分胁迫下其体内也有大量尿囊素积累(Yobi等2013)。
拟南芥 (Arabidopsis thaliana)尿囊素酶基因功能缺失突变体aln体内尿囊素的含量为野生型的?? ? 倍,在 干旱处理条件下,其存活率XXX ???,且基因芯片分析显示,aln植株中自发 的启动了脱落酸(abscisic acid, ABA)和茉莉酸(jasmonate, JA)两条应答途径,且大量干旱和高 盐胁迫响应相关基因显著上调表达(Watanabe等2014a)此外, 植物体内尿囊素含量也受其他非生物胁迫的影响特别是近几年 转录组学、代 谢组学技术的发展不仅验证了早期的发现, 也显示了其含量与多数非生物胁迫响应成正相 关, 而与生物胁迫响应可能成负相关, 如表1表1 不同胁迫条件下植物体内尿囊素含量及相关指标的变化Table 1 Changes of allantoin levels and related index in plants under various stress conditions物种胁迫条件观测结果参考文献Yoshida培 养基+140 mmoLL-1NaCl尿囊素含量上升111倍Wang WS等 2016低温或缺水大田(广州、沈阳)幼苗存活率与体内尿囊素含量成正比。
Wang P等 2012水稻(Oryza sativaL.)Yoshida培 养基+7.5 mmoLL-1NaHCO3尿囊素含量上升,缺锌耐性品系1.6±0.02倍;缺锌敏感品系2.0±0.03倍Rose 等 2012无锌离子Yoshida培养基+7.5mmol・L-1 NaHCO3尿囊素含量上升,缺锌耐性品系1.7±0.12倍;缺锌敏感品系3.3±0.30倍Rose 等 2012水培+50 mmoLL-1 NaCl尿囊素含量上调3倍Kanan i 等 2010拟南芥0.5XMS+250 mmol・L-1 NaCl尿囊素含量显著上升Lescan o 等 20160.5XMS+150 mmol・L-1 NaClUOX与 AS表达量显著上升;Lescan o 等 2016ALN表达量显著下降4°C冷处理尿囊素含量显著上升Kaplan 等20040.5 X MS且硫元素含量减少89%尿囊素含量上升4.77-15.09倍Nikiforova等2005野生型尿囊素含量显著上升;暗室处理6 d黄嘌吟脱氢酶突变株体内尿囊素含量无Brychkova等2008显著变化野生型存活率大于75%;暗室处理6 d+恢复9 d黄嘌吟脱氢酶突变体植株存活率低于Brychkova等200850%。
0.5XMS+25〜200 ymoLL-1 CdCl2尿囊素含量显著上升Nourimand 和 Todd2016尿囊素含量显著上升;土培野生型植株尿囊素酶活性显著下降;Nourimand 和 Todd500〜1500 gmol^L-1 CdCl2 喷施尿囊素酶突变株体内三种抗氧化酶2016(SOD, APX, CAT)活性显著高于野生型Pseudomonas syringae pv. Tomato(Pst)菌株DC 3000灌根接种24 h, 尿囊素酶突变株体内病程相 关蛋白基因PR-1表达量显著低于野生 型Takagi等2016Pectobacterium carotovorum subsp. carotovorum (Pcc) 菌株 EC1的生理盐水菌悬液注射于离 体叶片接种3 h, 尿囊素酶突变株体内抗真菌防 御蛋白基因PDF1.2a表达量显著低于野 生型Takagi等2016小麦(Triticumaestivum)Fusarium graminearum菌株PH-1抱子悬液注射于花期小花酰脲转运相关基因表达量显著上调Lys0e 等 2011MS: Murashige & Skoog培养基;UOX:尿酸氧化酶基因(URATE OXIDASE); AS:尿囊素合酶基因(ALLANTOIN SYNTHASE); ALN:尿囊素酶 基因(ALLANTOINASE);SOD:超氧化物歧化酶(superoxide dismutase); APX:抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase); CAT:过氧 化氢酶(catalase);PR-1: PATHOGENESIS-RELATED PROTEIN 1; PDF1.2a: PLANT DEFENSIN 1.2 a。
3 尿囊素参与植物抗逆性应答的分子证据对高等植物嘌吟降解途径的研究发现,黄嘌吟脱氢酶抑制物别嘌吟醇(allopurinol)可抑 制植物免疫应答过程中的过敏性坏死反应(Montalbini 1992),而拟南芥黄嘌吟脱氢酶的缺失 突变体表现出明显的抗逆性降低和早衰现象, 外源施加尿酸、尿囊素。












