芪合酶基因的研究进展与应用现状
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇芪合酶基因的研究进展与应用现状范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要：芪类化合物是一种重要的植物抗毒素，因其具有多种医疗保健作用，已引起多方关注。芪合酶是芪类化合物生物合成途径中的关键酶，关于它的研究已广泛开展。本文对芪类化合物的生物合成途径、药理作用，芪合酶的结构、功能，以及芪合酶基因的表达、芪合酶的基因工程研究等方面的进展进行综述，以期为进一步深入研究提供重要信息和科学参考。
关键词：芪类化合物;芪合酶;芪合酶基因
中图分类号：Q946 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.04.005
Research Advance and Application Status of Stilbene Synthase Gene
LIU Jing-ying， TONG Shao-ming， HOU He-sheng
（College of Life Sciences， Liaoning Normal University， Key Laboratory of Plant Biotechnology of Liaoning Province， Dalian， Liaoning 116081，China）
Abstract： Stilbenes，as important phytoalexins， have been paid extensive attention for its various functions for health and medical treatments. Stilbene synthase is the key enzyme in the biosynthesis pathway of stilbenes. The research about it has been extensively developed. This article introduced the biosynthesis pathway and pharmacological effects of stilbene compounds，the structure and function of stilbene synthase. The research progress of stilbene synthase gene expression and stilbene synthase gene engineering were also reviewed， and it would provide important information and scientific references for further research.
Key words： stilbenes; stilbene synthase; stilbene synthase gene
芪类化合物是植物在抵御生物、非生物胁迫及环境恶化条件下产生的植保素，这类化合物以二苯乙烯为结构母核，多数分布在植物的木质部，最早在蓼科植物大黄中被发现[1-2]。目前，研究者已从23科59属植物中分离得到芪类化合物[1]，并且发现一些微生物如酵母、链霉菌属和细菌中也存在芪类化合物。
芪类化合物的合成来源于苯丙氨酸代谢途径[3]。苯丙氨酸首先在苯丙氨酸裂解酶（PAL）催化下裂解为肉桂酸，然后在肉桂酸-4-羟基化酶（C4H）的作用下形成反式香豆酸，在香豆酸-CoA连接酶（4CL）催化下形成反式香豆酰-CoA，1分子的反式香豆酰-CoA和3分子的丙二酰-CoA可在芪合酶（stilbene synthase，STS）的作用下合成芪类次生代谢物白藜芦醇（resveratrol，Res）;或者由肉桂酸直接形成肉桂酰-CoA，之后与丙二酰-CoA在芪合酶作用下合成另一种芪类化合物赤松素（图1）。此外，反式香豆酰-CoA等也能够在查尔酮合酶（chalcone synthase，CHS）的催化作用下进入黄酮类和异黄酮类合成支路。因而芪合酶被认为是植物中合成芪类化合物的关键酶。本研究针对芪合酶、芪合酶基因及芪类化合物的研究进展作一综述。
1 芪合酶基因的发现与分类
迄今为止，研究者已从葡萄、花生、大黄、高粱、原始裸蕨属植物以及松树等植物中发现了芪合酶基因，这些基因的分离为研究芪类化合物生物合成的调控机制奠定了重要基础。已克隆的STS基因可分为两种类型[4]，一种以反式香豆酰-CoA为特异性底物，称为白藜芦醇合酶（resveratrol synthase，RS），另一种以肉桂酰-CoA为特异性底物，称为赤松素合酶（PS）。葡萄、花生、大黄等植物中的芪合酶属于前一种类型，而存在于裸蕨属植物和松树等植物中的芪合酶属于后一种类型。
2 芪合酶的结构特征和功能
STS是由两个亚基组成的二聚体，分子量约为43 kD，其基因编码约390个氨基酸。STS和查尔酮合酶（CHS）同属于Ⅲ型聚酮化合物合酶（PKS）超家族，芪合酶基因在植物中多以基因家族形式存在，不同种植物芪合酶的氨基酸序列之间、同种植物芪合酶家族不同成员之间具备一定的相似性，且都具有STS和CHS家族特征位点GVLFGFGPGLT，以及STS特异性保守结构域IPNS（F）AGAIAGN。芪合酶的活性中心一般为Cys164或Cys169。研究者曾分析RS基因序列，结果显示基因编码区起始于第1个ATG，5’端具有唯一内含子，将RS基因编码区分为两部分。
3 芪合酶基因表达的研究进展
一般认为，植物抗毒素是诱导形成的，即植物受到病原菌侵袭时，会迅速形成植物抗毒素类化合物，以抵抗病菌的侵染。但有研究表明，在葡萄中，芪类化合物在软组织中是诱导形成的，在硬化的木质部分却是组成型形成的，即芪合酶的表达具有组成型和诱导型两种表达机制。
3.1 STS基因表达的诱导因子
植物STS基因的表达受生物胁迫、非生物胁迫、环境条件等诱导。生物胁迫指不同病原菌的侵染等。Hain R等将葡萄STS基因转入烟草原生质体基因组，利用灰霉菌侵染烟草，转化烟草表达出STS酶活性并表现出持续抗性。Kiselev等[5]将农杆菌的rolB基因转入山葡萄悬浮培养细胞中，发现转基因细胞中芪合酶的表达水平是对照组的1.3～3.8倍。Hemanth等[6]的研究表明，黑豆菌侵染葡萄后，会引起葡萄中芪合酶的差异表达。用小麦叶锈菌侵染小麦，与野生型植株相比，葡萄STS转基因植株的疾病症状明显减少;当用小麦颖枯菌侵染时，疾病症状减少的幅度更大些[7]。上述这些研究都表明，病原菌侵染能够诱导STS基因的表达。非生物刺激因子包括植物激素、机械伤害等。Chung等[8]研究发现，采用紫外光和酵母提取物可促进STS在花生叶、根中积累，同时乙烯、水杨酸和茉莉酮酸均可诱导STS基因在花生叶中表达。肉桂酸和蔗糖等对于提高葡萄果皮和愈伤组织Res含量具有一定作用。臭氧处理同样能够刺激STS的表达上调。除生物与非生物因素外，光温、干旱等环境条件对STS的表达也具有重要作用：Deluc L G等[9]研究发现，水分缺失提高了葡萄浆果中芪合酶的表达水平，致使白藜芦醇苷含量增加。葡萄Res的生物合成受不同光质影响显著，蓝光能够促进STS的表达，进而促进Res的积累[10]。温度对葡萄果实Res及其糖苷含量变化同样具有重要作用，低温抑制STS表达[11]。
3.2 STS基因表达的特异性
高等植物中STS基因的表达具有诱导条件特异性、组织器官特异性、品种差异性等特点。基因家族不同成员受到不同信号的调控，如Thomas等研究了花生中RS基因的差异调控，揭示RS1受到酵母提取物的诱导后表达，而RS3不会被诱导表达，培养液稀释后RS3会表达，然而在同样诱导条件下，RS1不会表达。已有资料表明，不同类群植物中Res含量差异很大，不同来源的RS基因在结构上具有差异性，其合成Res的能力也不尽相同[12]。此外，STS基因的表达具有组织器官特异性。Hipskind和Paiva[13]进行了转基因苜蓿中白藜芦醇苷积累测定的试验，证明RS基因的转录水平在植物的不同器官中存在一定差异，叶、茎中转录水平均高于根。Jeandet等[14]通过研究发现，葡萄果实中Res主要分布于果皮和种子，果肉中Res含量很低或基本没有。葡萄的根和茎中也含有一定量的Res单体和低聚物。Krpes等探究葡萄中Res抗灰霉菌作用时发现，芽和花合成Res的能力较低。刘新荣等[15]指出葡萄Res的分布存在器官特异性，大致趋势是：果穗、果皮>叶片、种子、叶柄>果肉。综上所述，葡萄各器官均存在不同含量的Res，然而哪些器官是合成中心，哪些器官是储藏和代谢中心，以及各器官间Res是否具有一定联系，都有待进一步探究。此外，许多科研工作者研究葡萄果实Res含量，结果表明不同品种间Res含量具有明显差异。Li等[16]首次从种质资源水平上对葡萄Res含量进行测定，发现种间杂交的砧木品种果皮和种子Res含量远远高于其它栽培品种;其中河岸葡萄和甜山葡萄杂交后代砧木品种Res含量很高;只有少数欧亚种和欧美杂种栽培品种的Res含量较高。此外，Li等[16]还发现葡萄果皮和种子Res含量与果实性状和用途具有密不可分的关系，Res含量呈现如下趋势：红色品种>绿色品种，有核品种>无核品种，酿酒品种>鲜食品种。
4 芪类化合物的药理作用
4.1 抗菌作用
已有研究表明，白藜芦醇能明显抑制金黄色葡萄球菌、灰葡萄孢菌、肺炎双球菌等病原菌的侵染，但对酵母菌的作用不明显，其含量与植物抗菌能力呈正相关。Chan[17]研究得出结论，Res同样能够抑制人的皮肤真菌和皮肤细菌。
4.2 抗氧化、抗自由基作用，可延缓衰老、预防老年痴呆症
动物试验表明， Res对大鼠红细胞的自氧化溶血和H2O2引起的氧化溶血均具有抑制作用;此外，Res也可抑制小鼠体内外过氧化脂质的产生[18];冯永红等也通过试验证实了Res对黄嘌呤―黄嘌呤氧化酶自由基发生系统产生的O2-和Fenton反应产生的OH-有显著抑制作用。
4.3 抗癌作用
白藜芦醇在癌细胞的起始、增殖、发展3个主要阶段均具有抑制乃至逆转作用。在起始阶段，Res发挥抗突变和抗氧化作用;在增殖阶段，Res抑制脂氧合酶、环氧合酶的活性并能发挥传递抗炎作用;在癌细胞发展阶段，Res对于人早幼粒白血病细胞的分化具有诱导作用。
4.4 保护心血管系统
Res对于血管细胞中细胞质和组织因子（TF）的异常表达具有抑制作用;对于低密度脂蛋白氧化和血小板凝集也有抑制作用，并且能够促进脂蛋白代谢，降低人体血脂进而防止血栓形成，具有防治心血管疾病的功效[19]。
此外，Res及其衍生物在肝脏保护、激素调节、防治神经性疾病、激活长寿基因等方面也具有重要作用，因而在化妆品、医药、保健品和食品添加剂等领域有广泛应用。
5 芪合酶的基因工程研究
大多植物虽含有芪合酶作用的底物，却缺乏芪合酶基因。因此，为提高植物的抗病性，培育药、食兼用的转基因蔬果，许多研究者在芪合酶基因的转化研究中做了大量工作。
Hain R等将花生中的STS基因转入烟草，用紫外光进行诱导后发现STS基因在烟草中迅速表达。Hipskind和Paiva[13]将花生中的STS基因导入苜蓿，通过分析发现转基因苜蓿中积累了一种新的次生代谢物RGluc（反式白藜芦醇-葡糖苷），而且生物检测的结果表明RGluc和Res对茎点霉属真菌的生长具有明显抑制作用。研究者将葡萄的STS基因分别转化不同植物，所获得的转基因烟草对灰霉菌、转基因水稻对稻瘟菌、转基因大麦和小麦对白粉病菌、转基因番茄对灰霉菌和早疫病菌的抗性均有一定程度的增强。Liu等[20]克隆了蓼属植物的STS基因，并将其转化到拟南芥中，通过检测证明拟南芥中也合成了一种反式白藜芦醇苷，能抑制炭疽病病原体次盘孢孢子的产生从而抑制该病菌。Serazetdinova L等[7]将松树Pinus sylvestris L.的赤松素合酶基因pss转化进入小麦中，结果显示合成的芪类化合物亲水性较强，结构与赤松素极为相似。
6 展 望
研究表明，芪类化合物具有多种药理活性，但其在植物体内的作用机制尚未了解清楚，其作为植保素的抵抗能力目前也难以量化，这些都有待于进一步研究。鉴于白藜芦醇等芪化物对现代医疗保健具有重要意义，而且科研工作者已经发现芪合酶能够在微生物、植物和哺乳动物细胞中大量表达，因而通过基因工程手段对芪合酶基因进行合理利用，有望在植物抗病育种、天然药物开发等方面取得重大成绩。
参考文献：
[1] 孟旭辉，张评浒，张朝凤，等.芪类化合物及其合成酶的研究进展[J].中国野生植物资源，2010，29（3）：15-20.
[2] 张永丽，金志强，徐碧玉，等.芪合酶基因的研究进展[J].现代农业科技，2007（13）：195-196.
[3] Austin Michael B， Noel Joseph P. The chalcone synthase superfamily of type III polyketide synthases[J].Natural Product Reports，2003，20（1）：79-110.
[4] Ferrer J L，Austin M B，Stewart C Jr， et al. Structure and function of enzymes involved in the biosynthesis of phenylpropanoids[J].Plant Physiol Biochem，2008，46（3）：356-370.
[5] Kiselev K V， Dubrovina A S， Bulgakov V P. Phenylalanine ammonia-lyase and stilbene synthase gene expression in rolB transgenic cell cultures of Vitis amurensis[J]. Applied Microbiology and Biotechnology， 2009，82（4）：647-655.
[6] Hemanth K N， Vasanthaiah S M， Basha R K. Differential expression of chitinase and stilbene synthase genes in Florida hybrid bunch grapes to Elsino■ ampelina infection[J]. Plant Growth Regulation， 2010，61（2）：127-134.
[7] Serazetdinova L， Oldach K H， Lorz H， et al. Expression of transgenic stilbene synthases in wheat causes the accumulation of unknown stilbene derivatives with antifungal activity[J].Journal of Plant Physiology，2005，162（9）：985-1 002.
[8] Chung I M， Park M R， Rehman S， et al. Tissue specific and inducible expression of resveratrol synthase gene in peanut plants[J]. Molecules and Cells，2001，12（3）：353-359.
[9] Deluc L G， Decendit A， Papastamoulis Y. Water deficit increases stilbene metabolism in Cabernet sauvignon berries[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2011，59（1）：289-297.
[10] 刘媛，李胜，马绍英，等.不同光质对葡萄试管苗离体培养生长发育的影响[J].园艺学报，2009，36（8）：1 105-1 112.
[11] 郑先波，李晓东，吴本宏，等.贮藏温度对UV-C辐射葡萄果皮白藜芦醇及其糖苷含量的影响[J].园艺学报，2009，36（8）：1 099-1 104.
[12] Hiroyuki O， Tsutomu T， Tohru O， et al. Structure of grapevine stilbene synthase genes inducing different amounts of resveratrol under elicitor treatment[J].Am J Enol Vitic，2001，52（3）：284.
[13] Hipskind J D， Paiva N L. Constitutive accumulation of a resveratrol-glucoside in transgenic alfalfa increases resistance to Phoma medicaginis[J].Molecular Plant-Microbe Interactions，2000，13（5）：551-562.
[14] Jeandet P， Douillet-Breuil A C， Bessis R， et al.Phytoalexins from the Vitaceae：Biosynthesis，phytoalexin gene expression in transgenic plants，antifungal activity，and metabolism[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2002，50：2 731-2 741.
[15] 刘新荣，高丽萍，夏涛，等.紫外处理对酿酒葡萄果皮中白藜芦醇及其二聚体合成的影响[J].激光生物学报，2009，18（1）：56-61.
[16] Li X D，Wu B H，Wang L J， et al. Extractable amounts of trans-resveratrol in seed and berry skin in vitis evaluated at the germplasm level[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2006，54（23）：8 804-8 811.
[17] Chan M M Y. Antimicrobial effect of resveratrol on dermatophytes and bacterial pathogens of the skin[J]. Biochemical Pharmacology， 2002， 63（2）： 99-104.
[18] 王世盛，赵伟杰，刘志广.天然多羟基芪类化合物的生物活性[J].国外医药：植物药分册，2001（1）：9-11.
[19] 闫静，王振月，刘丹宁，等.白藜芦醇及其甙的生物活性研究进展[J].中医药学报，2000（2）：39-41.
[20] Liu Z， Zhuang C， Sheng S， et al.Overexpression of a resveratrol synthase gene （PcRS） from Polygonum cuspidatum in transgenic Arabidopsis causes the accumulation of trans-piceid with antifungal activity[J].Plant Cell Reports，2011，30 （11）：2 027-2 036.