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植物叶绿素降解的研究进展.docx

花匠小妙招
2025-01-07 07:22

植物叶绿素降解的研究进展叶色骨折是一种非常常见的自然现象。如果树木叶片、收获不足，果实成熟，或者是由低温、害虫和微生物感染等非生物环境的威胁，则可能会发生。据统计,全世界年均叶绿素的降解量约达109吨(Moser等2009a)。了解和人为控制叶绿素降解过程无疑会给环境生态学、农产品生产、加工和贮存等带来可观的价值。然而直到20世纪90年代,随着降解产物结构分析和酶基因克隆(叶绿素酶、脱镁叶绿酸a单加氧酶和红色叶绿素代谢产物还原酶)的成功,叶绿素降解之谜才逐渐被揭开。近年来由于物质结构分析手段、全基因组序列解析和生物信息学的长足进步,新的观点不断涌现,从单纯的降解途径,逐步深入到调控机制。本文将着重介绍自2007年以来,在新的叶绿素降解产物结构解析、基因克隆手段的变化与新酶基因的发现、降解途径的修正以及分子调控机制方面的研究成果。 1 hv-心理因子n 降解产物的结构解析是了解降解代谢流向的关键。在相当长的一段时间内,人们在衰老的叶片中找不到与叶绿素降解有关的衍生物,重要的转折点是1991年Kr?utler等发现了大麦中非荧光叶绿素代谢物(nonfluorescent chlorophyll catabolite from Hordeum vulgare,Hv-NCC-1,图1)。Hv NCC-1的结构提示人们两点:第一、氧化开环是发生在二氢卟吩大环的α-位,而不是先前所认为的δ-位;第二、降解物由叶绿素a衍生而来,因此叶绿素b在植物体内先转化为叶绿素a,再行降解。之后研究人员在油菜、菠菜、烟草、拟南芥和玉米等植物叶片中发现了类似结构的化合物,统称为NCCs。 1.1 叶片中叶绿素的表达 NCCs被解析之后,研究人员以脱镁叶绿酸a为底物,进行体外转化,相继鉴定了红色叶绿素代谢物(red chlorophyll catabolite,RCC)及其还原产物即初级荧光叶绿素代谢物(primary fl uorescent chlorophyll catabolite,p FCC)。p FCC在植物叶中经过修饰,形成不同的荧光叶绿素代谢物(fluorescent chlorophyll catabolites,FCCs),继而FCCs被转到液泡中,在液泡的酸性条件下自发异构成为NCCs。近期,研究者的注意力开始转向水果中四吡咯叶绿素降解产物的鉴定。在成熟的苹果皮和梨皮中发现了2种NCCs,其结构与相应的衰老果树叶中的NCCs一致,说明在衰老的叶片和成熟的果实中叶绿素降解途径是相同的(Kr?utler 2008;Müller等2007)。但是Moser等(2008a,2009b)对成熟香蕉皮的分析却弱化了上述观点,原因是除了检测到NCCs之外,还检测到被高度修饰的荧光叶绿素代谢物(hypermodifi ed FCCs,h FCCs)。所谓高度修饰是指在C-17位上的酯化反应。通常,叶绿素的植醇基被水解之后,在C-17位上留下游离的丙酸基团,该基团对于FCCs在酸性液泡中的自发异构是必须。在衰老的植物叶片中,p FCC的修饰不会发生在C-17位,FCCs能够自发异构为NCCs(图1),因此在体内的降解产物中只有NCCs。而p FCC修饰为h FCCs时,C-17位的丙酸侧链被酯化,阻碍了其向NCCs的异构,因此在降解产物中可以检测到h FCCs。无独有偶,在香蕉叶和白鹤芋叶中也发现了h FCCs(Banala等2010;Kr?utler等2010)。h FCCs的发现不仅扩展了人们对叶绿素降解产物生理作用的认识,例如赋予成熟中的水果和秋天的落叶可见的光学效应(Balana等2010;Moser等2008b)同时也提示了在p FCC之后,叶绿素降解途径开始分支(图2)。 1.2 保护叶绿素及抗氧化反应尽管大多数学者认同叶绿素降解的关键是脱镁叶绿酸a单加氧酶(pheophorbide a oxygenase Pa O)催化卟啉开环,并因此将叶绿素降解途径称为Pa O途径(图2),但是仍然有学者坚持认为氧化酶类如叶绿素过氧化物酶(chlorophyll peroxidase)和叶绿素氧化酶(chlorophyll oxidase)参与了卟啉环周边基团的氧化或者二氢卟酚的开环成为胆红素类色素(bilibrubin-like pigments)。胆红素类色素进一步降解为吡咯化合物,并最终分解成更小的碳和氮片断。由氧化酶类参与的叶绿素降解途径被称为氧化漂白途径(图2)。为了验证过氧化物酶在叶绿素降解中的功能,Hynninen等(2010)采用辣根过氧化物酶催化H2O2氧化叶绿素,用薄层层析、紫外可见吸收、1H和13C核磁共振以及快原子轰击电离质谱分析氧化产物,结果表明约60%的氧化产物为132(S)和132(R)-羟基叶绿素a非对映异构体其余