植物苯丙氨酸代谢相关酶基因启动子研究进展

唐 寅，张威威，许 锋

(长江大学园艺园林学院，湖北 荆州 434025)

程水源

(黄冈师范学院生命科学与工程学院，湖北 黄冈 438000)

植物苯丙氨酸代谢相关酶基因启动子研究进展

唐 寅，张威威，许 锋

(长江大学园艺园林学院，湖北 荆州 434025)

程水源

(黄冈师范学院生命科学与工程学院，湖北 黄冈 438000)

苯丙氨酸代谢途径是植物重要的次生代谢途径，主要包括苯丙烷代谢途径和异黄酮合成代谢途径，其中每一步都由不同酶调控。启动子是基因的一个组成部分，控制基因表达(转录)的起始时间和表达程度。综述了苯丙氨酸代谢途径3种重要酶，即苯丙氨酸解氨酶、查尔酮合成酶和查尔酮异构酶基因启动子的研究进展。

苯丙氨酸代谢途径；异黄酮合成途径；启动子；分子机理

植物的代谢分为初级代谢和次级代谢，而次级代谢有多条途径。从碳流的角度来看，苯丙氨酸代谢途径是植物次生代谢最重要的途径之一。在一个细胞中，20%以上的代谢通过丙氨酸代谢途径，一切含苯丙烷骨架的物质都是由这一途径直接或间接生成的。苯丙氨酸代谢主要包括2个代谢途径，即苯丙烷代谢途径和类黄酮合成代谢途径[1，2]。

植物启动子是重要的顺式作用元件，是位于结构基因5’端上游区的DNA序列，它能指导RNA聚合酶与模板的正确结合，是转录调控的中心。研究苯丙氨酸代谢相关酶基因的启动子，能从分子机理分析其代谢过程，为研究各种次生代谢产物的分子调控打下基础[1]。

1 苯丙氨酸解氨酶基因启动子

1.1 苯丙氨酸解氨酶

苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia lyase,PAL,EC4.3.1.5)是苯丙烷类代谢途径的关键酶，催化苯丙氨酸转化为肉桂酸，促进黄酮、香豆素等次生代谢物的生成。PAL只存在于植物和微生物中，能够应答伤害、病原菌、植物激素等多种胁迫诱导[2]。

1.2 苯丙氨酸解氨酶基因启动子研究

(1)苯丙氨酸解氨酶基因启动子类型 植物PAL活性的调控主要在转录水平进行，并且受到PAL启动子的影响。现已在豌豆(PisumsativumL.)[3，4]、拟南芥(Arabidopsis)[5]、欧芹(Petroselinumcrispum)[6]、白杨木(Populustrichocarpa×P.deltoides)[7]、扁豆(DolichoslablabL.)[8]、菜豆(PhaseolusvulgarisL.)[9]、水稻[10]、麻风树(JatrophacurcasL.)[11]等植物中获得苯丙氨酸解氨酶基因的启动子；通过5’端侧翼区缺失实验，发现启动子一些特定区域和保守元件对PAL的表达水平有重要作用。分为4种类型，即，(1)PAL1类型，在豌豆[3]、拟南芥[5]、欧芹[6]和白杨木[7]中发现；(2)PAL2类型，在扁豆[8]、菜豆[9]、白杨木[7]和欧芹[6]中发现；(3)PAL3类型，在欧芹[6]中发现；(4)PAL4类型，在欧芹[6]中发现。

(2)苯丙氨酸解氨酶基因启动子GUS表达 将PAL启动子片段与GUS报告基因融合后转入植物表达，发现不同植物PAL启动子的表达在各器官中差异很大。菜豆PAL2启动子[9]在木质部和韧皮部表达，但在叶原基和茎结点不表达。豌豆PAL2启动子[5]器官特异性表达在花瓣中水平最高，在花粉囊、柱头、根和芽中显著表达，而在萼片、子房和叶片中基本不表达。白杨木PAL1和PAL2启动子[8]在叶片、茎和其他器官的初生木质部和茎的次生木质部表达，但在表皮和表皮下层细胞均不表达。拟南芥PAL1启动子[6]在幼苗发育早期有活性，在花中，萼片、花粉囊和心皮中有表达，而在成熟植物体的根和叶片的维管组织中表达量大，但在根尖、芽顶端分生组织和花瓣中不表达。

(3)苯丙氨酸解氨酶基因启动子顺式作用元件 在豌豆[3]、欧芹[6]和白杨木[7]等植物的PAL启动子的顺式作用元件的研究中，发现了不同的顺式作用元件(表1)，其中TATA-box在豌豆和欧芹中发现，白杨木和菜豆中顺式作用元件差距较大。

表1 几种植物的PAL启动子顺式作用元件研究Table 1 The cis-element of PAL promoter of several species plant

2 查尔酮合成酶基因启动子

2.1 查尔酮合成酶

查尔酮合成酶(chalcone synthase,CHS,EC2.3.1.74)是类黄酮类物质合成的关键酶，在苯丙氨酸合成途径中，查尔酮为类黄酮类物质提供基本的碳架结构，为类黄酮、黄酮醇、黄烷酮、花青素糖苷及其他物质的合成提供保障。查尔酮合成酶在植物中广泛存在，在很多生理生化活动中起着重要作用，是近年来植物生理生化和分子生物学研究的热点之一。CHS的功能主要表现在色素合成、防UV照射、抵御病原真菌侵染、根瘤形成、植物育性、调节生长素运输、抗虫等方面，近年来有大量的相关报道[12]。

2.2 查尔酮合成酶基因启动子研究

(1)查尔酮合成酶基因启动子类型 现已在欧芹[13]、拟南芥[14]、芥末(SinapisalbaL.)[15，16]、豌豆[17]、法国豆(PhaseolusvulgarisL.)[18]、扁豆[19]、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)[20]、菜豆[21]、矮牵牛(Petuniahybrida)[22]、金鱼草[23]等中获得了查尔酮合成酶基因的启动子。主要分为3种类型：(1)CHS1类型，芥末[15]和豌豆[17]中发现；(2)CHS15类型，在法国豆[18]和菜豆[21]中发现；(3)CHSA类型，在矮牵牛[22]中发现。

(2)查尔酮合成酶基因启动子GUS表达 将不同植物CHS基因的启动子片段与GUS报告基因连接，导入植物细胞，发现不同植物的不同器官中表达差异很大。芥末CHS启动子[15]在幼苗中除胚轴所有器官都表达，在花中所有轮生体中都表达。金鱼草CHS启动子[23]在不成熟种子中表达量最高。法国豆CHS15启动子[18]在花和根尖有表达，花中的表达仅限于花瓣中有颜色的部分，而且是瞬时表达。

表2 几种植物的CHS启动子顺式作用元件Table 2 The cis-element of CHS promoter of several species plant

(3)查尔酮合成酶基因启动子顺式作用元件 在对芥末[15]、法国豆[18]、豌豆[17]、拟南芥[14]、矮牵牛[22]、扁豆[19]等植物CHS启动子顺式作用元件的研究中，发现了不同顺式作用元件(表2)，G-box在法国豆、豌豆和拟南芥中均存在，而白芥菜和菜豆顺式作用元件差别很大。

3 查尔酮异构酶基因启动子

3.1 查尔酮异构酶

查尔酮异构酶(chalcone isomerase,CHI,EC5.5.1.6)是第一个被认识的类黄酮合成相关酶，是类黄酮类色素生物合成所需的关键酶之一。自从通过抗体技术从菜豆中分离纯化CHI以来，通过类似方法已在多种植物中分离纯化出CHI。CHI是植物异黄酮途径中植物抗毒素生物合成所必需的酶，以单体的形式普遍存在于大多数植物中，分子量因植物的种类而异。CHI的氨基酸序列和蛋白质的三维折叠结构在植物中具有唯一性，已被建议作为一种植物特有的基因及结构标记。研究表明，除植物中普遍存在CHI外，真菌、粘土霉菌和大部分γ蛋白细菌中都存在与植物CHI直向同源的类CHI蛋白，但都缺乏CHI的上游酶CHS[24]。

3.2 查尔酮异构酶基因启动子研究

目前，查尔酮异构酶基因启动子只在矮牵牛[25]、烟草(Nicotianaglutinosa)[26]和百合(Liliumlongiflorum)[27]等少数草本植物中获得。其中，矮牵牛[28]包括CHIA和CHIB 2种酶基因启动子，是研究最深入的。CHIA基因编码区上游存在两个启动子PA1和PA2，PA1和PA2在不同矮牵牛花组织中具有不同的启动活性。PA1启动子在花冠组织中可驱动CHIA表达，而PA2启动子仅在花药发育后期和花粉粒组织中启动CHIA。CHIB只有一个启动子，仅仅在花药发育早期及成熟花粉组织中驱动CHIB基因的表达。CHIA和CHIB基因启动子区域有37 bp的高度保守的DNA序列。

4 结语

苯丙氨酸代谢途径是植物重要的次生代谢途径，其相关酶基因的分子生物学研究越来越受重视。启动子研究一直处于生命科学研究前沿。随着科学技术的不断进步，将有更多植物的苯丙氨酸解氨酶基因、查尔酮合成酶基因、查尔酮异构酶基因的启动子被研究，从而使苯丙氨酸代谢途径的转录调控机理得到更深入的了解，提高各种次生产物的产量(如大豆异黄酮)，更好地为人类服务。

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2010-03-19

国家自然科学基金项目(30971974)；湖北省自然科学基金重点项目(2008CDA061)；湖北省教育厅产学研合作资助项目(CXY2009B009)

唐 寅(1983-)，男，湖北武汉人，硕士研究生，研究方向为银杏分子生物学.

程水源，E-mail: s_y_cheng@sina.com

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2010.02.020

Q946.5

A

1673-1409(2010)02-S068-04