烟草重要基因篇：8. 烟草P450基因

解敏敏

（中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101）

烟草重要基因篇：8. 烟草P450基因

解敏敏

（中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101）

细胞色素P450单加氧酶（cytochrome P450 monooxygenases， CYP450）是一个保守的血红素硫蛋白基因超家族，广泛存在于各种动植物、真菌和细菌中，在信号传递、防御反应以及代谢产物合成等多种代谢途径中起着重要的作用。P450酶系可能是自然界中最具催化作用的生物催化剂，它所催化的反应类型广泛而复杂。根据其功能，大体可以分为两类：一类是参与植物次生物质的代谢，如植物激素、信号分子、萜类、防御物质等；另一类是代谢外源信号分子或环境污染物，如农药、环境毒素、有机染料等［1-3］。

1　 植物P450基因家族及功能

1.1 植物P450基因家族

随着植物基因组大规模测序，在越来越多的植物中鉴定到P450。基于蛋白序列的相似性和亲缘关系，将P450归类为家族和亚家族。同一家族的成员序列相似性＞40%，序列相似性＞55%归类为一个亚家族［4］。随着P450家族成员的增多，部分低于40%的蛋白序列遗传聚类分析中明显聚在一起，它们也被归为同一家族。植物P450超家族归类为10个氏族和127个家族，是目前为止植物中最大的酶家族［5］。

1969年，Frear［6］首次在棉花（Gossypium hirsutum）中发现P450。目前在拟南芥（Arabidopsis thaliana）［7］、水稻（Oryza sativa）［7］、苜蓿（Medicago sativa）［3］等多种植物中都鉴定到P450。其中对拟南芥P450的研究较为广泛深入，拟南芥基因组中含有286个P450基因，其中273个基因被分类，组成45个P450家族和72个亚家族，245个全长基因有基因组注释。芯片数据分析显示拟南芥P450基因整体上表达量要比看家基因低，但许多基因的表达还具有组织特异性。如CYP88A3和CYP706A2在叶中的表达高于大部分看家基因，CYP81F4和CYP88A3在根中的表达高于看家基因。其他基因如CYP77A6仅在花中特异表达，CYP708A2仅在根中特异表达，CYP81F4和CYP83B1在营养组织中特异表达。大部分低于看家基因表达的P450基因可能与其功能有关，许多P450基因参与内源信号分子的代谢途径，很多基因在外界诱导后才表达［8］。

1.2 植物P450基因的功能

植物P450在激素、苯丙烷类、生物碱、萜类、生氰糖苷类等代谢途径中起着重要的作用。肉桂酸-4-羧化酶（CYP73）是第一个被鉴定的CYP450，参与苯丙素的合成过程［7］。CYP51家族是唯一一个在植物、动物、真菌和细菌等多个物种中都具有同源基因的P450家族，功能较保守，催化甾醇类及其衍生物的生物合成［9-10］。拟南芥CYP85A1、CYP85A2、CYP90A1、CYP90B1基因和水稻CYP90D2基因参与油菜素内酯的合成；拟南芥CYP701A3、CYP88A3和CYP88A4参与赤霉素的合成；CYP97C和CYP98A等基因家族参与类胡萝卜素的代谢合成［7-8］。在苯丙烷代谢途径中，CYP71、CYP73、CYP75、CYP81、CYP84、CYP93和CYP98等家族在木质素中间物、黄酮、类黄酮、呋喃香豆素的合成中发挥重要作用，主要参与脂肪族、芳香族碳的羟基化反应以及芳基转移反应、亚甲基二氧桥的生成等［11］。其中，CYP74、CYP78、CYP81、CYP86、CYP94、CYP703、CYP709、CYP711、CYP719和CYP726等家族参与脂肪酸的羟基化、环氧化以及不饱和脂肪酸的过氧化氢功能基团的裂解。CYP71催化植物羟肟酸的合成，在植物的病原菌和昆虫抗性中起重要作用［12］。CYP51、CYP71、CYP88、CYP97、CYP701、CYP705、CYP706、CYP707、CYP714、CYP720、CYP725和CYP735等家族还参与许多萜类化合物的生物合成，如赤霉素、脱落酸、类胡萝卜素及植物防御物质等。CYP72、CYP85、CYP90、CYP92、CYP710、CYP724和CYP734等在植物油菜素类固醇激素的合成与钝化中发挥重要作用，主要参与C-2、C-3、C-6、C-22和C-23位的羟基化与氧化反应［13］。植物自我保护的硫代葡萄糖苷类化合物主要有CYP79和CYP83两个家族参与［14］。CYP82和CYP83家族在水稻中不存在，但是CYP82家族成员在烟草（Nicotiana tabacum） 、豌豆（Pisum sativum）和大豆（Glycine max）中高度应答于外界胁迫；而CYP83家族在拟南芥的生长素动态平衡及植物发育过程中起着重要的作用［5］。这些植物P450蛋白功能研究为烟草P450的具体功能研究提供了重要线索。

2　 烟草P450家族及功能

2.1 烟草P450基因家族

为了解烟草中的P450的种类和数量，我们利用基因组数据与生物信息学手段，对烟草中的P450基因家族进行分析。通过将植物代表性的P450蛋白序列与普通烟草基因组比对和预测，鉴定了263个可能的烟草P450基因，归属于44个基因家族，其中173个基因已经找到EST证据［15］。基于烟草EST和基因芯片数据分析显示［15］，部分P450基因在烟草整个生命周期中持续高水平的表达，这些基因很可能参与内源生理代谢过程［16］，如CYP73A1、CYP73A2、CYP51G1、CYP98A1、CYP82E2、CYP71D2、CYP75B1、CYP90A2和CYP97B1，某些基因的表达具有组织特异性，如CYP72A1和CYP96A2在叶片中持续高表达；CYP74C2、CYP86A1和CYP96A1等在根中相对高水平表达。还有部分基因在所有组织中表达水平都很低，推测可能与抗性相关，在特定情况或外界环境诱导下才表达。

2.2 烟草P450的功能研究

与在拟南芥中鉴定的45个家族［8］和水稻中47个家族相比［12］，烟草中仅有少数P450基因被报道。在烟草中，细胞色素P450涉及萜类、生物碱类、甾醇类、植物激素和信号分子等的合成和代谢反应，有些P450还参与抗除草剂的代谢反应等。烟草西柏三烯醇羟化酶（CYP71D16）参与萜类化合物代谢途径，烟草5-表-马兜铃酸-1，3-二羟化酶（CYP71D20v1/v2CYP71D21、CYP73A27/A28和CYP92A5）参与生物碱类合成代谢途径［13，17］。在本生烟草（Nicotiana benthamiana）中发现了参与甾醇合成的CYP51家族基因［18］。Wang等鉴定了一个烟草腺毛特异的P450基因，通过反义和正义共抑制方法研究表明，P450可以将腺毛分泌成分西柏三烯一醇转化为西柏三烯二醇，转化烟草植株对蚜虫的抗性有明显的提高［19］。烟草中的烟碱转化为降烟碱是由CYP82E家族成员编码的烟碱-N-去甲基化酶（NND，nicotine N-demethylase）催化介导的［20］，目前已经获得多个催化烟碱向降烟碱转化的基因，如CYP82E5v2［21］、CYP82E2［22］、CYP82E10［23］和CYP82E4［20］等。烟草CYP81B2、CYP71A11［24］还可以代谢脲类除草剂。

3　 前景与展望

目前越来越多的细胞色素P450被分离出来，但是只有少数的基因功能得到鉴定，因此，对P450的功能研究、揭示P450基因的表达和调控是该领域的研究重点。在烟草中，苯丙烷类和萜类代谢是烟草香气物质形成的重要途径，生物碱的合成是烟草有害物质代谢的重要途径，因此，烟草P450的研究对于提高烟草品质和降低烟草危害有着重要的意义。此外，细胞色素P450在培育多抗性植物、创造植物雄性不育系、降解农药残留以及生产药用化合物等方面也显示出广阔的应用前景。

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