杜紅陽,常云霞,劉懷攀

多胺的作用機理研究進展

杜紅陽,常云霞,劉懷攀＊

(周口師范學院生命科學系,河南周口466000)

對多胺的作用機理進行了全面綜述,提出了今后的研究方向,展望了多胺的應(yīng)用前景.

多胺;作用機理

高等植物中常見的多胺有腐胺(Put)、尸胺(Cad)、亞精胺(Spd)、精胺(Spm)等.多數(shù)研究表明,多胺是植物的一種生長調(diào)節(jié)因子,除參與植物的生長發(fā)育[1]、性別分化[2]、果實成熟與衰老[3]以及適應(yīng)逆境[4-6]等重要生理過程外,它還參與一系列的生化過程,包括DNA的復制、轉(zhuǎn)錄、膜穩(wěn)定、RNA和蛋白質(zhì)的翻譯[7]等.隨著新的實驗儀器和手段的出現(xiàn),多胺的生理作用和功能被進一步發(fā)現(xiàn),特別是近年來新發(fā)現(xiàn)了多胺參與調(diào)節(jié)大分子及信號轉(zhuǎn)導過程,對多胺在植物體內(nèi)的作用有更進一步的認識.人們對多胺的生理功能研究得很透徹并取得了可喜的成績,前人也對其進行了系統(tǒng)的總結(jié),但是對多胺的作用機理目前綜述很少,本文對前人就多胺這方面的研究成果進行了全面總結(jié),以期從中找出多胺未來研究的突破口,從而進一步豐富多胺的研究.

1 多胺的作用機理

1.1 清除活性氧機制

1.1.1 直接清除活性氧

多胺可以抑制自由基的產(chǎn)生,作為質(zhì)子來源,可直接有效地清除超氧陰離子的自由基.早在1986年,Drolet等[8]就研究表明,無論是用黃嘌呤氧化酶產(chǎn)生的或是用核黃素、鄰苯三酚產(chǎn)生的超氧陰離子,都能明顯地被10和50 mmol/L的多胺(Spm,Spd,Put,Cad)抑制,而且,衰老的微粒體膜產(chǎn)生O-2也能被多胺抑制.從而依賴于O-2的ACC (1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸)向乙烯的轉(zhuǎn)變途徑也被抑制,并且發(fā)現(xiàn)清除效率決定于多胺的氨基化程度,他們也把多胺的生理功能如抑制膜脂過氧化、延緩衰老都歸因于多胺對活性氧的直接清除能力.另外,Khan等[9]的工作也認為多胺對活性氧可以直接清除.

1.1.2 間接清除活性氧

多胺還可通過影響其他中間物質(zhì),特別是影響清除活性氧的酶系統(tǒng)和非酶系統(tǒng)而清除活性氧,增強植物抗逆性,延緩衰老.例如,Maccarrone等[10]報告多胺延緩細胞衰老是由于它抑制脂氧合酶活性,從而阻止膜脂的過氧化作用.謝寅峰等指出,外施Put可逆轉(zhuǎn)酸脅迫引起的SOD(超氧化物岐化酶)、CAT(過氧化氫酶)活性的下降.陳坤明和張承烈[11]發(fā)現(xiàn),春小麥在受到干旱脅迫時,Spd,Spm的含量與SOD和POD(過氧化物酶)活性呈正相關(guān).劉懷攀等[12]對滲透脅迫下的玉米幼苗做實驗表明亞精胺通過提高ASA(抗壞血酸)和GSH(谷胱甘肽)等抗氧化非酶物質(zhì)含量而降低活性氧水平來減輕活性氧對玉米幼苗的傷害.關(guān)于多胺提高植物體內(nèi)抗氧化酶的活性的機理有兩方面:一方面,多胺可以誘導抗氧化酶的生物合成;另一方面多胺可直接作用于酶分子,提高酶活性.如徐仰倉等[13]對春小麥的研究表明,外源精胺既可誘導SOD和POD的生物合成,又可直接作用于酶分子提高其活性.外源Spm對CAT則僅表現(xiàn)為誘導合成效應(yīng),而對APX(抗壞血酸過氧化物酶)的合成誘導無影響,僅表現(xiàn)為對已有酶的活性調(diào)節(jié)上.

1.1.3 降低活性氧的產(chǎn)生速率

Tadolini[14]報道多胺結(jié)合到生物膜上與膜磷脂及Fe2+形成三元復合物,從而減少了 Fe2+介導的活性氧的產(chǎn)生.Shen等[15]發(fā)現(xiàn)黃瓜幼苗葉片的游離態(tài)亞精胺通過抑制冷脅迫引起的NADPH氧化酶活性升高而抑制活性氧水平的上升,提高幼苗抗冷脅迫能力.劉懷攀[16]的研究也發(fā)現(xiàn)游離態(tài)亞精胺通過抑制滲透脅迫下的NADPH氧化酶活性的升高而抑制活性氧水平的上升,提高小麥幼苗抗?jié)B透脅迫能力.

1.2 調(diào)節(jié)膜的理化性質(zhì),穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu),阻止細胞內(nèi)物質(zhì)的外滲

多胺通過與膜上帶負電荷的磷脂頭部及其他帶負電荷的基團結(jié)合,影響膜的流動性,同時也間接調(diào)節(jié)膜結(jié)合酶的活性.Robes[17]等利用大豆葉微粒體膜進行的研究發(fā)現(xiàn),外源多胺能與膜結(jié)合,大大降低膜的流動性.他們用多胺合成抑制劑證明內(nèi)源多胺能選擇性的使膜表面固相化從而保持膜的完整性.檀建新等的試驗表明,噴施外源Spd能抑制水分脅迫下膜透性的增加,表明Spd有穩(wěn)定質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的作用[18].

1.3 多胺與DNA作用機制

1.3.1 多胺與DNA的轉(zhuǎn)錄

在特異表達某些基因的組織中活化基因附近mCp G較非表達組織中明顯降低到30%左右,因此認為基因表達與CG甲基化程度呈負相關(guān).C的甲基化可能加強阻遏蛋白或降低激活蛋白與DNA的結(jié)合,或因mCp G的甲基伸入DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的大溝,影響DNA與結(jié)合蛋白的相互作用;也可能由于C的甲基化使DNA雙螺旋大溝中基團過分擁擠從而改變了DNA不同構(gòu)象間的平衡,更多地由B-DNA變?yōu)槠渌麡?gòu)象(如Z-DNA)以擴展大溝內(nèi)的空間,影響了DNA結(jié)合蛋白和相應(yīng)專一序列的結(jié)合[19].多胺可以發(fā)揮信使作用激活環(huán)腺苷酸酶,從而使cAMP含量升高,激活蛋白激酶,使磷酸化酶激酶活化,最終使非組蛋白磷酸化,而磷酸化后的核蛋白靠磷酸基因的負電荷和組蛋白靜電吸附,從而使組蛋白從DNA上游離下來,打開基因,進行轉(zhuǎn)錄.多胺也可以激活核激酶而使核蛋白磷酸化,而且Spm的這種效應(yīng)遠遠大于其他多胺.當然也不能排除多胺直接作用于DNA從而影響其轉(zhuǎn)錄活性.

1.3.2 多胺和DNA的復制

Galston等[20]發(fā)現(xiàn),逆境條件下分離得到的燕麥葉原生質(zhì)體容易衰老,水解活性增強,而外加多胺可以誘導停留在 G1期的燕麥葉片原生質(zhì)體重新啟動DNA的合成,并促進有絲分裂.間接證據(jù)[21]也表明,多胺多分布在細胞分裂旺盛的生長組織內(nèi),促進生長,說明多胺與細胞分裂時DNA的復制是有一定關(guān)系的.多胺促進DNA合成可能與其穩(wěn)定DNA的二級結(jié)構(gòu)有關(guān),尤其是與穩(wěn)定酶-模板復合物的作用有關(guān).此外,參與復制過程的一些蛋白質(zhì)、旋轉(zhuǎn)酶、引發(fā)酶及拓撲異構(gòu)酶都能與多胺起交互作用,影響DNA復制[22].

1.4 多胺與蛋白質(zhì)的作用機制

多胺與細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)交聯(lián),發(fā)生在翻譯后修飾過程中,對細胞成分的穩(wěn)定具有重要作用.自Icekson和 Apelbaum[23]在植物體內(nèi)首次檢測到TGase的存在后,開始了植物體內(nèi)多胺與蛋白質(zhì)共價結(jié)合的研究.逆境脅迫下 TGase活性上升為研究逆境下多胺代謝的生理意義提供了新的出發(fā)點,游離多胺向高分子結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化,穩(wěn)定細胞內(nèi)生物大分子結(jié)構(gòu),提高抗逆性.細胞內(nèi)結(jié)合態(tài)多胺的降解是由多胺氧化酶催化進行的,導致蛋白質(zhì)的一部分帶正電基團的釋放,氧化不徹底,蛋白質(zhì)沒有恢復到最初狀態(tài),但卻改變了蛋白質(zhì)正電荷數(shù)量,這勢必對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響.可見,細胞內(nèi)TGase與PAO(多胺氧化酶)相互合作共同參與調(diào)控蛋白質(zhì)的帶電性質(zhì)和交聯(lián)程度,一方面參與抗逆反應(yīng),另一方面可以維持植物細胞的正常代謝.

1.5 多胺通過影響乙烯的生物合成降低活性氧水平而影響細胞衰老

乙烯作為一種植物內(nèi)源激素,具有抑制植物生長、促進成熟及衰老的作用,并與逆境脅迫關(guān)系密切.SAM(5-腺苷蛋氨酸)是多胺和乙烯生物合成過程中共同的前體.研究發(fā)現(xiàn),多胺抑制乙烯合成,并可抑制煙草葉片中生長素對乙烯的誘導作用,而多胺合成抑制劑MGBG(甲基乙二醛二米基腙)、DFMA(二氟甲基精氨酸)、DFMO(二氟甲基鳥氨酸)和PCMB(對氯汞苯甲酸)等則可以促進乙烯產(chǎn)生.ACC合酶是乙烯合成的關(guān)鍵酶,ACC合酶抑制劑AOA(氨氧乙酸)抑制乙烯生成的同時,伴隨著Spm含量提高,表明多胺和乙烯的生物合成是相互競爭的,可能通過競爭SAM起作用,也可能是多胺也參與了ACC合酶轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)[24],可以通過對ACC合酶和ACC氧化酶的調(diào)節(jié)影響乙烯的生成.Fuhrer J等發(fā)現(xiàn),多胺可以抑制外源乙烯誘導的衰老進程,這表明多胺可能還影響了乙烯的信號傳導.

1.6 多胺參與逆境脅迫信號轉(zhuǎn)導功能

多胺作為第二信使參與植物的逆境脅迫信號反應(yīng)已被許多實驗所證明[25].一定濃度的多胺可以通過調(diào)節(jié)內(nèi)整流 K+通道而有效地抑制蠶豆保衛(wèi)細胞的氣孔開放[26],游離態(tài)腐胺也可能通過影響Ca2+,從而影響Ca2+-A TPase活性[27].多數(shù)研究偏重于細胞壁的多胺經(jīng)PAO氧化產(chǎn)生H2O2信號分子而激發(fā)下游的信號轉(zhuǎn)導事件(如超敏反應(yīng)HR和系統(tǒng)獲得性抗性 SAR)[28-29].劉懷攀[16]初步研究了在短期滲透脅迫條件下,多胺在小麥幼苗根部活性氧激發(fā)的信號轉(zhuǎn)導過程中的地位,大致可能存在滲透脅迫→ABA→fPut→質(zhì)膜NADPH氧化酶→活性氧→Ca2+的信號傳導途徑,并且fPut和NADPH氧化酶產(chǎn)生的活性氧以及Ca2+之間可能存在交叉對話.

2 展望

綜上所述,關(guān)于多胺作用機理的研究目前已經(jīng)取得一定進展,但仍有許多問題尚待探討.關(guān)于細胞對多胺的吸收和運輸機制,目前還不太清楚.關(guān)于多胺信號轉(zhuǎn)導的研究初見倪端,初步證明多胺參與ABA的信號轉(zhuǎn)導過程,但尚缺乏充分的證據(jù),需要進一步研究.關(guān)于多胺合成過程中部分酶的基因已經(jīng)分離,并且也轉(zhuǎn)入某些植物中,但這些基因在轉(zhuǎn)基因植物中卻不能高效表達,為什么呢?需要進一步研究.逆境脅迫下,多胺的積累對提高植物抗逆性的確切機制以及多胺在植物衰老過程中的作用機制等等都需要有待闡明.一些學者認為,可以通過篩選出一些突變體或者是利用轉(zhuǎn)基因植物來研究它們.這些突變體可以是那些衰老延遲或者是體內(nèi)多胺含量很高或者很低的植物.如果搞清楚了它們之間的關(guān)系,這對研究植物的衰老機制以及成熟后的生理將有很大的幫助.而且,隨著生物技術(shù)的發(fā)展,研究者可以利用遺傳工程技術(shù)抑制多胺合成代謝相關(guān)的某些酶基因的表達或者是使某些合成酶過量表達,然后觀察高等植物的發(fā)育變化.最終將有助于在分子水平上闡明多胺在高等植物生長發(fā)育中的作用機制.

[1]黃作喜,謝寅峰,胥偉,等.黃瓜去根苗離體培養(yǎng)條件下多胺對雌花形成的影響[J].南京林業(yè)大學學報:自然科學版,2008,32(4):147-150.

[2]Luo H,Zheng Z,Lin S,et al.Changes in endogenous hormones and polyamine during sexual differentiation of lychee flower[J].Acta Horticulturae.2005,665: 203-208.

[3]Xu C,Jin Z,Yang S.Polyamines induced by heat treatment before cold-storage reduce mealiness and decay in peach fruit[J].Journal of Horticultural Science &Biotechnology.2005,80(5):557-560.

[4]Liu H P,Dong B H,Zhang Y Y,et al.Relationship between osmotic stress and the levels of free,conjugated and bound polyamines in leaves of wheat seedlings [J].Plant Sci,2004,166(5):1261-1267.

[5]Groppa M D,Ianuzzo M P,Tomaroand M L,et al. Polyamine metabolism in sunflower plants under longterm cadmium or copper stress[J].AminoAcids,2007, 32(2):265-275.

[6]袁祖麗,劉秀敏,李華鑫.多胺與環(huán)境脅迫關(guān)系研究進展[J].西北植物學報,2008,28(9):1912-1919.

[7]Childs A C,Mehta D J,Gerner E W.Polyamine-dependent gene expression[J].CMLS,Cell.Mol.Life Sci.2003,60:1394-1406.

[8]Drolet G,Dumbroff E B,Legge R L,et al.Redical Scarvenging properties of polymines[J].Phytochemistry,1986,25:367-371.

[9]Khan N A,Quemener V,Moulinoux J P.Polyamine membrane transport regulation[J].Cell Biol Intern Rep,1991,15:9-24.

[10]Maccarrone M,Baroni A F,inapolyaminei-Agro A. Natural polyamines inhibit soybean(Glycine max)lipoxynase-1,but not the lipooxygenase-2 isozyme[J]. Arch Biochem Biophys,1998,356:35-40.

[11]陳坤明,張承烈.干旱期間春小麥葉片多胺含量與作物抗旱性的關(guān)系[J].植物生理學報,2000,5: 381-386.

[12]劉懷攀,牛明功,李潮海,等.亞精胺對滲透脅迫下玉米幼苗葉片抗氧化非酶物質(zhì)的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學,2007(3):25-28.

[13]徐仰倉,王靜,劉華,等.外源精胺對小麥幼苗抗氧化酶話性的促進作用[J].植物生理學報,2001,27:349-352.

[14]Tadolini B.Polyamine inhibition of lipoperxidation [J].Biochem J,1988,249:33-36.

[15]Shen W Y,Nada K,Tachibana.Involvement of polyamines in the chilling tolerance of cucumber cultivars [J].Plant Physiol,2000,124:431-439.

[16]劉懷攀.滲透脅迫下小麥幼苗體內(nèi)多胺形態(tài)、定位和功能[D].博士論文,2004.

[17]Roberts D R,Dumbroff E D,Thompson J E.Exogenous polyamines alter membrane fluidity in bean leavesbasis for potential misinterpretation of their true physiological role[J].Planta,1986,167:395-401.

[18]檀建新,史吉平,李廣敏,等.亞精胺對水分脅迫下玉米幼苗內(nèi)源乙烯和多胺的影響[J].植物生理學通訊, 1995,31(2):99-102.

[19]Eden S,Ceder H.DNA methylation in regulation of transcription[J].Curr Opin Genet Dev,1994,4:255-369.

[20]Galston A W,Kaur-Sawhney R.Polyamines in plant physiology[J].Plant Physiol,1990,94:406-410.

[21]Ravindar K S.Polyanines induced DNA synthesis and Mitosis in oat leaf protoplast[J].Plant Physiol,1980, 65:368.

[22]王曉云,鄒琦.多胺與植物衰老關(guān)系研究進展[J].植物學通報,2002,19:11-20.

[23]Icekson I,Apelbaum A.Evidence for transglutaminase activity in plant tissue[J].Plant Physiol,1987, 84:972-974.

[24]Li N,Parsons B L,L iu D.Accumulation of wound--inducible ACC synthase transcript in tomato fruit is inhibited by salicylic acid and polyamines[J].PlantMol Biol,1992,18:477-487.

[25]Tassoni A,Van Buren M,Franceschetti M,et al. Polyamine contentand metabolism in A rabidopsis thalianaand effect of spermidine on plant development [J].Plant Physiol Biochem,2000,38:383-393.

[26]Liu K,Fu H H,Bei Q X,et al.Inward potassium channel in guard cells as a target for polyamine regulation of stomatal movements[J].Plant Physiol,2000, 124:1315-1325.

[27]Sudha G,Ravishankar G A,Sudha G.Putrescine facilitated enhancement of capsaicin production in cell suspension cultures of Capsicum frutescens[J].J Plant Physiol,2003,160:339-346.

[28]Cona A,Cenci F,Cervelli M,et al.Polymine oxidase,a hydrogen peroxide-producing enzyme,is upregulated by light and down-regulated by auxin in the outer tissues of the maize mesocoty[J].Plant Physiol, 2003,131:803-813.

[29]Walters D.Resistance to plant pathogens:Possible roles for free polyamines and polyamine catabolism [J].New Phytol,2003,159:109-115.

Study advance of function mechanism of polyamines

DU Hongyang,CHANG Yunxia,LIU Huaipan
(Biology Department,Zhoukou Normal University,Zhoukou 466000,China)

The function mechanisms of polyamine were summarized and the unanswered questions and future application in the field were also mentioned.

polyamines;function mechanism

Q945

A

1671-9476(2010)05-0088-04

2010-05-17

國家自然科學基金(No.30771296);河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項目(No.082300430310)

杜紅陽(1981-),女,河南鄧州人,碩士,主要從事作物抗性生理和化控栽培研究,聯(lián)系電話:13838603093.＊

劉懷攀(1970-),男,河南鄧州人,教授,博士后,博士生導師,從事作物抗性生理研究,聯(lián)系電話:15003880789, Email:liuhuaipan@yahoo.com.cn.