文摘
l抗坏血酸(维生素C)是必要的,植物和动物。抗坏血酸作为一个主要的氧化还原缓冲和作为酶的辅因子参与调节光合作用,激素生物合成和其他抗氧化剂再生。抗坏血酸调节细胞分裂和生长和参与信号转导。相比单一途径负责抗坏血酸生物合成的动物,植物利用多种途径合成抗坏血酸,或许反映出这个分子植物健康的重要性。鉴于抗坏血酸对人体营养的重要性,一些技术已经开发的抗坏血酸含量增加植物通过生物合成的操纵或回收途径。本文概述了这些方法的后果以及抗坏血酸含量的变化对植物的生长和功能。讨论的是植物的能力容忍抗坏血酸含量的变化。植物中抗坏血酸提供的许多功能,但是,需要具有高度针对性的方法来改善他们的营养品质没有损害他们的健康。
1。介绍
维生素C (l抗坏血酸)是一种水溶性抗氧化剂,主要起到保护作用。尽管事实上,大多数哺乳动物可以合成抗坏血酸盐(Asc),人类(以及其他灵长类动物,蝙蝠,和豚鼠)无法使维生素C突变基因编码的结果l-gulono-1 4-lactone氧化酶,最后在Asc生物合成途径酶(1]。虽然与严重缺乏维生素C相关联的症状,例如,薄弱关节,牙龈出血,由于破裂的血管和皮肤变色,早在1497年观察和描述了瓦斯科·达·伽马在他的船员在航行在非洲南端的印度,直到1747年,詹姆斯·林德表明,食用柑橘类水果预防或治愈的疾病坏血病。正因为如此,维生素C最初称为“治疗坏血病的因素。“维生素C (l-threo-hex-2-enono-1 4-lactone)博士在1928年最终被孤立Szent-Gyorgyi尽管他不确定它的功能。只有在1932年结晶的生理活性化合物分离从自然资源识别与维生素C治疗坏血病的因素(2- - - - - -4),其结构决定第二年(5]。
在动物中,抗坏血酸盐是参与肉碱的合成和胶原蛋白,皮肤的重要组成部分,疤痕组织,肌腱,韧带,血管(6- - - - - -8]。因此,Asc的修理和维护是必不可少的软骨,骨骼和牙齿,在伤口愈合。同样重要的是在增加nonheme铁的吸收的植物性食物。美国国家科学院建立了90毫克/天(用于成年男性)和75毫克/天(成年女性)的推荐膳食津贴(RDA)维生素C (9]。在美国,20 - 30%的成年人获得不到60毫克的维生素C从食物来源,和亚临床缺乏维生素C的程度的人口没有赞赏[10]。
作为植物性食物是维生素C的主要来源,在人类饮食,增加植物的Asc内容的可能性,改善他们的营养价值近年来(已经受到了相当大的关注11- - - - - -13]。然而,Asc提供许多功能在植物。例如,它是一个主要的氧化还原缓冲(14),作为需要几个酶辅助因子和作为一种主要抗氧化剂(15,16]。Asc也调节细胞分裂和生长17和参与信号转导14,18]。尽管植物可以容忍适度改变内生Asc的水平,这样的变化并不是没有后果作为分子可能会因此密不可分植物的生长和健康。本文将研究和评价方法,用于提高植物中Asc内容包括那些专注于增加Asc生物合成以及那些有针对性的Asc回收的效率。改变的后果Asc水平对植物生长和发育,健康和应对环境压力的能力也将呈现。
2。生物合成的l抗坏血酸在植物
在哺乳动物中,D-glucuronic酸生成D葡萄糖通过中间体:D-glucose-1-P UDP-glucose, UDP -D-glucuronic酸,UDP -D-glucuronic acid-1-P,D-glucuronic酸(图1)。D然后转换成-Glucuronic酸l古洛糖酸葡萄糖醛酸酯还原酶,然后转换成gulono-1, 4-lactone aldono-lactonase(又名。gluconolactonase) [19]。l抗坏血酸生成从gulono-1 4-lactone通过gulono-1的作用,4-lactone氧化酶产生2-keto-gulono -γ内酯,自发地皈依l抗坏血酸。最初的说明Asc生物合成途径在植物表明它实质上不同的动物的途径。Smirnoff-Wheeler途径在植物中涉及的生成l抗坏血酸的l半乳糖(20.)(图1)。l生成半乳糖的转换从mannose-1-phosphate鸟苷二磷酸甘露糖(GDP) GDP -l半乳糖GDP-mannose -差向异构酶(21然后转换成l半乳糖。l-Galactono-1, 4-lactone合成的氧化l半乳糖的NAD-dependentl半乳糖脱氢酶。l-Galactono-1, 4-lactone充当的直接前体l抗坏血酸和氧化l抗坏血酸l-galactono-1 4-lactone脱氢酶,它位于线粒体的内膜外的一面22,23]。虽然路径的初始步骤位于胞质氧化l-galactono-1, 4-lactone通过线粒体细胞色素c表明Asc的集成生物合成与能量代谢和细胞氧化还原状态。喂养实验证明叶组织l半乳糖,l-galactono-1 4-lactone的确是皈依l抗坏血酸,可以迅速提高Asc池大小(20.,24,25]。一些突变体,显示不同程度的缺Asc一直孤立在拟南芥和描述职业训练局突变体。的vtc1突变体的突变的结果GDP-mannose焦磷酸化酶,vtc2和vtc5从GDP的突变突变的结果l半乳糖磷酸化酶(或国内生产总值-l-galactose-hexose-1-phosphate guanyltransferase),vtc4突变体的突变的结果l-galactose-1-P磷酸酶,所有Smirnoff-Wheeler通路中的酶(26- - - - - -30.)(图1)。
相比单一的哺乳动物的生物合成途径,然而,额外的证据Asc生物合成途径在植物近年来积累。第二个Asc生物合成途径是由放射性示踪剂Loewus和凯利(31日使用分离的成熟草莓果实中)D-galacturonic acid-1 -14C是代谢l抗坏血acid-6 -14C的转化途径。这个建议的途径D-galacturonic酸,产生的分解果胶的成熟水果,减少l半乳糖酸通过NADPH-dependent的行动D-galacturonic酸还原酶(GalUR),l半乳糖酸然后皈依自然l-galactono-1 4内酯(32)(图1)。就像在l半乳糖途径上面所描述的那样,l-galactono-1 4-lactone脱氢酶转化l-galactono-1 4内酯l抗坏血酸。放射性示踪剂数据在草莓水果和喂养的甲酯的观察D-galacturonic酸水芹籽苗和拟南芥细胞培养导致显著增加l抗坏血酸(33,34]表示GalUR的存在。过度的GalUR草莓在拟南芥增加三倍(表2 -全植物Asc内容1)[35]。额外的放射性示踪剂数据显示,然而,一代的l抗坏血酸从GalUR只占一小部分的总抗坏血酸盐生产的草莓水果(36]。这表明这个途径可以只有一个小的贡献Asc生物合成或可能是特定于特定条件下某些器官。
链接与动物的Asc生物合成途径已建议在植物与GDP-mannose研究差向异构酶。这不仅酶催化——GDP的转换D甘露糖占国内生产总值(GDP) -l半乳糖的l半乳糖通路(21),但也可以产生GDP -l从5′古洛糖差向异构化作用占国内生产总值的-D甘露糖(40)(图1)。国内生产总值(GDP)——是否l半乳糖或GDP -l古洛糖是由GDP-mannose差向异构酶从GDP -D甘露糖似乎依赖酶的分子形式(40]。虽然剩下的步骤在这个途径还有待证明,l古洛糖酸和l-gulono-1 4-lactone脱氢酶活性存在于植物(40,41]。哺乳动物的生物合成途径的进一步证据提供了植物的表达l-gulono-1 4-lactone氧化酶从老鼠在生菜和烟草Asc增加4 - 7倍(表1)[38]。表达同样的基因拟南芥叶片缺Asc的逆转职业训练局突变体,恢复Asc内容的水平相似或大于野生型植物(42]。这种支持的观点l-gulono-1, 4-lactone存在于植物。的可能性l-galactono-1, 4-lactone可能作为衬底的老鼠l-gulono-1, 4-lactone氧化酶可能不能占Asc池大小的增加的水平l-galactono-1, 4-lactone是减少的vtc1突变体。这在多大程度上替代途径可能是手术在植物是未知的。与其它酶过表达方法通常不出现在植物或其表达可能受制于瀑特异调控,异位从基因超表达可能导致的异位表达途径或一项新颖的途径在植物。
D-Glucuronic酸,一个中间的哺乳动物的生物合成途径,可以在植物生成myo肌醇加氧酶(图1)。异位表达的拟南芥基因有同源性myo从猪增加了拟南芥的Asc水平肌醇加氧酶39]。再一次,这一途径可能是手术的程度在植物尽管放射性示踪剂数据表明是未知的myo肌醇不作为前体l抗坏血酸在成熟草莓果实或欧芹叶(36]。是否有额外的生物合成途径l抗坏血酸在植物仍然未知。然而,随着Asc的内容vtc2突变体是野生型拟南芥和10 - 20%的水平vtc2/vtc5双突变体转移到一周内漂白l-Gal-free介质(28],Smirnoff-Wheeler通路可能是负责大部分的叶面Asc生物合成的拟南芥,也许在其他植物物种和其他途径无法弥补损失Asc在这些突变生物合成能力。
3所示。l抗坏血酸运输在植物
3.1。抗坏血酸的胞内运输
因为Asc是运输在植物,Asc内容的变化在一个细胞或组织的一部分,可能影响其水平在其他细胞或组织的小隔间里。因此,试图改变Asc内容需要考虑Asc传输机制存在于植物。尽管Asc生物合成途径中的最后一步发生在线粒体的内膜22,43),Asc发现整个细胞包括质外体。因此,Asc必须运送到其他车厢的细胞中存在44,45]。鉴于Asc的大部分将在其带负电荷形式存在生理pH值(;),扩散通过脂质Asc的影响是不可能的。虽然卸货,dehydroascorbate (DHA)的氧化形式Asc,不够疏水跨细胞膜扩散。在动物细胞中,运输DHA但不是Asc利用葡萄糖转运蛋白(46- - - - - -48]。Asc和DHA的证据表明,运输到植物细胞发生通过能量吸收的跨膜质子动力和能量传输的Asc是计算约650 nmol m−2叶面积年代−1(49]。由于存在dehydroascorbate还原酶(DHAR),催化还原的DHA Asc,后者主要见于胞质。缺乏DHAR在质外体的情况下,然而,意味着一旦运出细胞Asc, DHA进行氧化。这导致DHA的主要形式是有效的质外体运输到细胞溶质减少Asc。
Asc和DHA都被质膜小泡来自菜豆从烟草原生质体和大麦但证明更高的亲和力比Asc DHA (50- - - - - -54]。尽管Asc转运蛋白尚未明确,分析拟南芥基因组发现12个基因与已知nucleobase-ascorbate分享相似转运蛋白(NATs)从其他物种55),这表明这些基因编码假定的抗坏血酸盐转运蛋白的可能性。本地化的观察等离子体膜三AtNAT家庭成员。单基因敲除突变体AtNAT基因,以及一些突变体的两倍和三倍,没有表现出任何明显的表型,表明这个基因家族的成员之间的功能冗余(55]。AtNAT蛋白质的功能说明和他们是否真正参与Asc运输仍有待确定。
Asc在叶绿体吸收采用特定的转运体(56,57]。线粒体从烟草分析表明,DHA和葡萄糖的吸收发生通过易化扩散,由相同的转运体(58]。相比之下,吸收的Asc线粒体发生亲和力较低,因此可能穿过线粒体膜的氧化形式(58]。
3.2。抗坏血酸的长途运输
观察放射性标记的Asc应用于叶片韧皮部积累,被运送到根技巧,拍摄,和花器官,而不是成熟的叶子,是第一个示范phloem-mediated, Asc的长途运输59]。喂养l4-lactone -galactono-1, Asc的前兆,拟南芥或完整的叶子紫花苜蓿导致一个8番Asc内容增加治疗叶和增加三倍的Asc在水槽组织(59]。此外,Asc的增加成正比的Asc前体应用(59]。在土豆,喂养l-galactono-1 4-lactone或l半乳糖源叶导致大幅增加在Asc韧皮部分泌物以及水槽器官,如鲜花和开发块茎(60]。叶面Asc内容2倍白天比晚上反映在韧皮部分泌物,表明韧皮部中Asc内容高度响应变化在源叶(Asc生物合成60]。因为Asc生物合成所需的酶存在于植物韧皮部(61年),其传输的相对贡献从源和它的叶子原位生物合成在韧皮部积累Asc在水槽组织仍有待确定。有3 - 10倍,更高的生物合成能力和较低的流动率Asc在成熟的叶子比水槽组织(59)强调了phloem-mediated Asc运输的重要性在水槽器官的生长和发育。
Asc喂养Micro-Tom番茄植物的叶子易位和积累Asc在不成熟的绿色水果62年]。相同的喂养实验表明减少Asc易位与随后的成熟。l半乳糖喂养(代表D甘露糖/l半乳糖通路)也增加了Asc内容在不成熟的绿色水果,但喂养D-galacturonate或l-gulono-1, 4-lactone没有(62年]。然而,在成熟红色水果,喂l半乳糖(代表D甘露糖/l半乳糖通路)或D-galacturonate(代表D-galacturonate通路)增加了水果的Asc内容而喂养l-gulono-1 4-lactone(代表myo肌醇/D葡萄糖醛酸酯或l古洛糖通路)没有(62年]。关联与饲养结果的检测活动最后两个酶,也就是说,D-galacturonate还原酶和aldonolactonase,D-galacturonate通路在未成熟和成熟的水果62年]。这些数据证明Asc易位从源叶和他们认为的开关D甘露糖/l半乳糖通路作为Asc的唯一手段合成在早期水果发展的途径和选择D-galacturonate通路发生在水果成熟。
4所示。的作用l抗坏血酸在植物
4.1。抗坏血酸酶辅助因子
Asc可以作为酶的辅助因子,例如,对于黄质de-epoxidase (VDE) [63年),催化转化的黄质玉米黄质和叶黄素循环的一部分。玉米黄质,因此正确的叶黄素循环的功能,需要依赖资源,热耗散吸收过剩的激发能在nonphotochemical淬火(NPQ)。Asc也参与的再生α生育酚(维生素E) tocopheroxyl激进(64年]。此外,Asc函数作为酶的辅因子如prolyl和lysyl hydroylases [65年,66年];1-aminocyclopropane-1-carboxylate氧化酶催化乙烯生物合成的最后反应(63年,67年,68年];2-oxoacid-dependent加双氧酶包括那些参与脱落酸的合成69年),赤霉酸(70年- - - - - -73年),和花青素74年- - - - - -76年]。Asc也参与调节细胞的伸长,通过细胞周期进展(45,77年]。
4.2。抗坏血酸解毒作用生成活性氧在光合作用中
Asc只是许多抗氧化剂存在于植物之一,包括谷胱甘肽(GSH)、胡萝卜素,胡萝卜素,维生素e和多酚。Asc丰富叶组织,存在于毫克分子浓度在叶绿体基质(78年,79年]。当Asc的浓度超过其他抗氧化剂,被认为是主要的抗氧化剂存在于植物。因为它的高浓度,Asc作为细胞氧化还原状态的主要因素,在维持光合作用的功能是很重要的64年,80年]。Asc是用来消除活性氧(ROS),例如,单线态氧(1O2),超氧化物阴离子()、氢氧自由基()和过氧化氢(H2O2),为了保护光合机构和其它细胞成分从氧化损伤81年]。活性氧解毒通过抗氧化剂如Asc和谷胱甘肽的作用直接或催化反应的超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸盐过氧化物酶(APX型)和过氧化氢酶(CAT) (82年,83年]。ascorbate-glutathione (Asc-GSH)周期,其中包括monodehydroascorbate还原酶的活动(MDAR) dehydroascorbate还原酶(DHAR)及谷胱甘肽还原酶(GR)中扮演一个重要的回收再生作用Asc和谷胱甘肽进行氧化时通过他们的反应与活性氧氧化应激条件(84年]。
Asc可以作为直接给电子体光系统I (PSI),光系统II (PSII)在隔离条件下类囊体water-oxidase复杂受损,例如,在高亮度的压力下(85年,86年),虽然在足底确认是必要的。光致还原作用的monodehydroascorbate (MDHA),氧化后产生Asc,功能保持电子传递流时限制了竞争与Fd -为电子PSI(减少的一面87年,88年]。Asc APX型转换所使用的也是H2O2水,Asc可以直接扫气过程中产生的其他ROS有氧代谢过程,如光合作用、呼吸作用[81年]虽然发生直接还原的ROS的程度在足底还有待确定。
尽管它支持生活中重要作用,氧可以极具破坏力的。在叶绿体,多余的光,可以导致的生产然后转换由SOD H2O2并进一步降低H2APX型O的水水循环(89年]。这个循环是保持电子通过光流。接触到许多非生物压力,包括寒冷、干旱、或高光会加剧ROS生产创造条件的压力较低的光子通量密度。H2O2APX型灭活几秒内如果Asc回收受损90年]。H2O2还可以抑制有限公司2几个卡尔文循环同化通过抑制酶(91年]。H2O2也可以生成响应暴露于污染物如臭氧(92年,93年]。当H2O2作为信号中间在保卫细胞促进气孔关闭,工厂试图限制进一步暴露在臭氧通过关闭气孔也限制光合活动(94年,95年]。尽管这种防御机制,一种急性暴露于臭氧会导致细胞膜损伤,甚至诱发细胞程序性死亡(96年- - - - - -98年]。
尽管大多数植物生长激素,他们常常必须应对快速变化的水平入射光从太阳的角度,云量的变化,或从邻近的植物产生的阴影。尽管太阳能转化为化学能,光合作用利用吸收光能的能力是有限的。过剩的光能是危险的,因为它可能导致三重态叶绿素的生产(3背影),可以传输能量基态O2产生单线态氧(1O2)。此外,光的overreduction可以导致等活性氧的生成和H2O2(81年]。这样的活性氧可以破坏蛋白质亚基,膜,和颜料PSI、PSII导致蛋白质降解,反应中心的失活,抑制后续修复机制的反应中心(99年,One hundred.]。
Asc在保护光合功能的重要性已被证明职业训练局拟南芥的突变体(27,101年]。的vtc1突变,缺陷在GDP-mannose焦磷酸化酶,积累25% -30%的野生型的Asc水平。vtc1植物经历慢性photooxidative压力高亮度,高灵敏度的臭氧、二氧化硫、或UVB光25,27,102年]。然而,vtc1植物展览只有适度增长放缓的速度在正常生长条件下(102年),这表明大部分的Asc在植物应对氧化应激条件至关重要。的vtc2突变,GDP的缺陷l半乳糖磷酸化酶,包含约10 - 20%的野生型Asc和展品敏感性臭氧(101年]。的vtc2突变体也减少了能量依赖性NPQ(量化宽松政策),热耗散过剩光能吸收的(103年]。Asc是代数余子式的VDE -催化deepoxidation黄质和antheraxanthin玉米黄质,后者导致能量依赖性NPQ, Asc含量的减少vtc2突变体限制VDE活性(104年]。的vtc2突变也经历增加光抑制在从低到高的光传输时,伴随着增加脂质过氧化作用提出更高层次的photooxidative损伤(102年,103年,105年]。
VTC2和VTC5编码GDP -l半乳糖磷酸化酶。相比之下的Asc水平vtc2,Asc内容vtc5是野生型的80%的水平(28]。的增长vtc2/vtc5双突变体幼苗,然而,只有当与Asc或补充l半乳糖(28]。子叶的vtc2/vtc5在没有Asc或种子发芽l但在两周内漂白(半乳糖进行扩张28]。vtc2/vtc5植物保持Asc会开花,但植物将漂白剂一周内没有补充(28),这表明他们经历一个极端的光抑制程度Asc的缺失。这些结果表明的本质Asc photooxidative避免损坏。Asc的缺席会影响叶黄素的deepoxidation颜料催化VDE及其生产的玉米黄质所需的依赖资源耗散过剩光能吸收组成NPQ量化宽松政策的组成部分。的npq1突变,缺乏VDE,因此无法合成玉米黄质光,也缺乏量化宽松政策组成部分NPQ但展品只有温和的光抑制的增加(103年,105年]。此外,结合vtc2突变与npq1或npq4,缺乏公安局NPQ量化宽松政策的组成部分,所需的只是稍微光敏比vtc2突变体本身(103年,105年]。这些观察表明,Asc作为清道夫的角色在光合作用中产生的ROS比它更重要的作用叶黄素循环作为VDE的代数余子式或者干脆NPQ所扮演的角色。
4.3。抗坏血酸调节非生物和生物应激反应
与过量的光线条件,环境压力也可以导致活性氧的产生,往往通过限制光合能力导致光的overreduction和光合机械电子的转移给分子氧。因为Asc在排毒ROS生成的关键作用在光合活动在正常生长条件下,也就不足为奇了Asc也是很重要的在确定容忍许多环境压力水平,包括寒冷、干旱、盐和重金属污染。增加生产的H2O2在压力条件下,如接触盐或水赤字,经验丰富的损害是一个主要贡献者植物(84年]。当H2O2通过容易通过细胞膜,它可能导致损坏的位置远离其网站代(106年]。
减少Asc内容可以增加对盐胁迫的敏感性。例如,vtc1突变体减少了耐200毫米氯化钠由有限公司2同化能力和PSII功能(107年]。在盐胁迫下,vtc1植物有更高水平的H2O2相对于野生型植物池尽管高架谷胱甘肽(107年]。尽管MDAR的转录水平和DHAR诱导氧化应激(108年,109年),减少MDAR DHAR酶活动在salt-stressed拟南芥(107年),建议要么MDAR DHAR蛋白质水平降低盐暴露,或他们的活动受到盐的抑制。
在分析四种间李属混合动力车受到水分亏缺,增加H2O2相关的氧化应激与进步发生损失的水从叶子伴随着增加ascorbate-glutathione cycle-associated各自抗氧化剂酶和底物和被推翻后再浇水(110年]。南瓜的Asc内容(Cucurbita浆果l .)暴露后根增加到50μM硫酸铝,与H水平的增加2O2自由基、APX型活动和抗坏血酸盐还原酶(AFRR)活动,而达,谷胱甘肽还原酶活性没有改变111年]。
Asc内容的减少也会影响抵抗病原体。的vtc1和vtc2突变体抗感染两和霜霉属parasitica作为细菌或真菌病原体的增长大大降低(112年]。更大的阻力与更大的感应pathogenesis-related蛋白质PR-1和PR-5感染以及水杨酸水平升高(112年],这意味着更快的诱导防御反应当Asc水平很低。
4.4。抗坏血酸解毒作用发育生成的活性氧
ROS等H2O2不仅是生成的副产品光合作用后暴露在高亮度或压力条件,但可以在大量生产在特定的发展阶段。例如,H2O2生成过氧物酶体中大量脂肪酸的油料作为副产品β氧化脂质分解代谢中伴随幼苗生长(113年,114年]。为了解毒H2O2、植物过氧化物酶体采用过氧化氢酶在矩阵和膜结合APX型和MDAR,解毒的H2O2通过其Asc-dependent减少(114年- - - - - -117年]。APX型的膜协会/ MDAR系统可以保护酶膜和降低泄漏的H2O2进入胞液(114年,116年,117年]。尽管显然不是所需的增长在正常情况下(118年从APX3],增加表达,这是针对过氧化物酶体在拟南芥中,增加公差对氧化应激(119年]。APX型催化两个分子的电子转移Asc H2O2形成水和MDHA两个分子。因此,增强能力容忍氧化应激通过增加peroxisomal-targeted APX型的表达表明APX3大大有助于排毒H2O2之前它会损害细胞组件。APX型,使用的Asc这种酶,对应对环境很重要对氧化应激增强显示宽容烟草overexpressing chloroplast-targeted APX型盐暴露或水压力(120年]。
过氧化物酶病APX型活动的重要性在限制H2O2介导的细胞损伤被发现进一步支持peroxisomal-targeted MDAR也在减少细胞损伤引起的H是至关重要的2O2过氧物酶体中生成。拟南芥的sugar-dependent 2(sdp2)突变体是缺乏MDAR4, MDAR的酶膜对碘氧基苯甲醚,有条件地seedling-lethal幼苗无法分解存储石油(121年]。sdp2突变体在脂肪酸分解和受损表现出增加的脂质过氧化水平和蛋白质氧化。的SDP1编码三酰甘油脂肪酶(标签),负责大量的标签脂肪酶活性与石油相关的身体膜(122年),是通过氧化损伤在灭活的sdp2突变体苗(121年]。这些发现表明,在缺乏MDAR4, H2O2过氧物酶体中生成的脂肪酸β氧化在种子萌发逃脱,导致氧化损伤油机构,包括灭活SDP1标签脂肪酶。过氧化物酶体的观察和石油机构聚集在一起,至少在sdp2苗,表明石油的身体可能会接近任何H2O2过氧物酶体可能泄漏。与石油的身体,过氧化物酶体出现较少依赖APX型/ MDAR系统防止H2O2相关的酶,也许是因为过氧化氢酶仍活跃在矩阵(121年]。因此,相关的peroxisome-membrane MDAR同种型函数来降低H2O2泄漏过氧物酶体为了保护标签脂肪酶活性和储存石油水解石油的身体在幼苗生长密切相关。
4.5。抗坏血酸调节细胞周期
除了作为一种抗氧化剂,可以减少ROS, Asc在调节细胞周期中也扮演了重要的角色。Asc池大小的增加促进细胞分裂一样MDHA [17,33,123年- - - - - -127年而压抑的l-galactono-1 4-lactone脱氢酶(GalLDH)烟草2细胞株表达导致少30% Asc和降低细胞分裂和生长速度(128年]。抗坏血酸盐氧化酶mRNA和DHA减少同步2的G1期细胞(129年]。然而,细胞伸长期间,抗坏血酸盐氧化酶mRNA水平和活动增加和Asc和DHA水平,表明Asc的氧化可能是重要的细胞伸长(129年]。
支持Asc在调节细胞周期的作用是增加的抑制作用的DHA水平对细胞循环发展但只有增加在G1而不是在G2阶段(130年,131年]。Asc促进细胞分裂,诱导G1年代的细胞内的静止中心洋葱根(123年,126年,132年- - - - - -134年]。外生Asc也扭转引起的抑制细胞分裂lycorine治疗减少了Asc内容(132年]。DHA的加入减少了洋葱根分生组织的有丝分裂活动(124年]。有趣的是,摄入DHA的烟草明亮yellow-2细胞培养细胞在有丝分裂期最高和M / G1过渡(135年]。DHA的效果出现,在一定程度上,是由于其快速减少Asc和谷胱甘肽的耗竭,后者是一个代数余子式的DHAR-mediated减少DHA。支持这一结论是通过抑制其生物合成谷胱甘肽的耗竭,还能抑制细胞循环过程(131年]。损耗DHA的其他可能的还原剂(如硫氧还蛋白),然而,也被提出了130年,136年]。这是建议的观察,增加谷胱甘肽并没有阻止细胞分裂的抑制DHA,减少谷胱甘肽的水平结合DHA水平的增加对抑制细胞周期有累加效应(130年),这表明其影响是独立的。DHA,鉴于Asc的影响,和氧化应激谷胱甘肽在细胞周期检查点途径提出了控制细胞循环发展,应对一个或多个redox-sensing系统(137年]。
外生DHA Asc含量增加Lupinus白色l .,洋葱l .根技巧和抑制细胞增殖,可能是因为瞬态损耗的谷胱甘肽与氧化thiol-containing蛋白质(138年]。外生l4-lactone -galactono-1, Asc的前兆,也增加了Asc内容但没有引起thiol-containing蛋白质的氧化。增加Asc内容以这种方式刺激经济增长[138年]。这些结果表明,DHA可能抑制细胞分裂根通过细胞氧化还原状态的变化而Asc促进根细胞增殖。
静止中心(QC)根组成的一群细胞最多的远端部分根合适的就在根冠后面。这是这一根合适的一部分,代表了终点站的生长素极性运输开枪。生长素含量的质量控制玉米根是高于相邻的分生组织细胞在Asc内容QC大幅降低,抗坏血酸盐氧化酶mRNA和活动相对较高到邻近的分生细胞(17]。同样,谷胱甘肽含量的质量控制拟南芥根低于周围组织(139年]。抗坏血酸盐氧化酶mRNA和活动被外源生长素诱导,这些结果表明,生长素的水平升高静止细胞诱导抗坏血酸盐氧化酶表达进而减少Asc内容,从而保持静止G细胞特征1状态(17]。G外生Asc提升更快0- g1过渡在胚胎的根源Pisum一L。简历。林肯在萌发,但未能促进细胞分裂的细胞内质量控制(133年]。在洋葱根,然而,Asc在QC刺激细胞的有丝分裂活动,以DNA合成活动,以及刺激细胞增殖在根分生组织和中柱鞘123年,126年,127年]。这表明,Asc必须促进细胞细胞循环发展主管通过G1/ S期检查点但可能不足以促进细胞,细胞循环进展没有能力通过检查点,至少在某些物种。
Asc函数如何促进细胞循环进展仍然未知。Asc的辅被用物peptidyl-prolyl-4羟化酶,催化羟基化的脯氨酸残基的细胞wall-associated hydroxyproline-rich糖蛋白(HRGPs),例如,伸展蛋白和阿拉伯半乳聚糖蛋白,参与细胞壁硬化、信号传导和细胞增殖。peptidyl-prolyl羟化酶的抑制与3、4 -戴斯。莱纳姆:-dehydroproline HRGP的羟脯氨酸含量降低,改变细胞生长,抑制细胞循环发展洋葱根(140年]。低水平的Asc QC可能限制羟基化的脯氨酸残基,因此代HRGP peptidyl-prolyl羟化酶,可能导致细胞的细胞循环发展的特征逮捕QC。
4.6。抗坏血酸调节细胞分裂过程中胚胎的发展
Asc对细胞分裂的作用也许是最好的说明了其效果在第一次在植物胚胎早期发育受精卵的细胞分裂。胚胎发育正常启动后合子横分裂的顶端,原胚细胞和基底细胞产生胚柄,每种子生成一个胚胎。增加内源性Asc内容烟草通过增加达的表情,然而,诱导同卵孪生和polycotyly141年]。孪生DHAR导致改变引起的细胞极性和纵向横向的受精卵细胞分裂,产生相同大小的胚胎。Asc的直接注入到卵巢的野生型烟草拟表型DHAR-induced孪生和确认产生的Asc增加内容增加DHAR活动,负责双晶(141年]。Asc在同卵双生是发育的影响仅限于授粉后的头两天,在改变受精卵的分裂的作用。同样,polycotyly诱导Asc水平升高时只是子叶之前初始化(141年]。Asc的能力,促进同卵孪生和polycotyly可以理解它对细胞极性和细胞分裂的影响。促进受精卵的分裂的方式偏离正常的横向分工导致的损失所需的位置信号随后顶端细胞进入胚胎分化和基底细胞胚柄。因此,结果是两个基因完全相同的一代受精卵,每个发展成一个独立的胚胎。双胞胎之一的受精卵还可以再划分为两个基因相同的受精卵,导致三胞胎(141年]。同样,改变细胞分裂期间cotyledon-forming字段的规范在胚胎发展可以增加polycotyly的频率。虽然很可能Asc影响其他细胞的分裂在类似的方式,也许只有在关键的发展阶段,如受精卵的第一次分裂或在cotyledon-forming字段的规范,控制细胞分裂的Asc变得十分明显。
也许有关其影响细胞分裂和伸长,Asc内容也与增长。在种子发育、Asc池大小和Asc氧化还原状态(即。,the ratio of Asc to DHA) change dramatically from a high level of Asc largely in its reduced state during early embryo development, followed by a decrease in the Asc redox state during cell elongation such that the level of DHA exceeds Asc, and finally the complete oxidation of Asc at seed maturity [142年- - - - - -144年]。DHA是再次迅速减少在萌发生成Asc和由Asc的增加最终增强生物合成的活动(143年,144年]。Asc叶期间继续增长和下降的合成减少叶函数作为衰老过程的一部分(145年- - - - - -147年]。的vtc1突变体,只有30%的野生型Asc,展品显著减少增长(102年]。类似的增长是减少烟草中观察到DHAR表达被压抑导致较低的ASC池大小和减少ASC的氧化还原状态146年]。
4.7。抗坏血酸调节开花时间
分析职业训练局突变体还建议,Asc水平可能影响开花。虽然vtc1突变体被报道表现出开花后期表型(102年,148年),这后来证明是特定的增长在白天短长度条件下(149年]。在工作时间长条件下,vtc1突变体,以及其他职业训练局突变体,包括vtc2-1和vtc4-1,表现出早期开花表型(150年,151年]。Asc水平增加喂食l4-lactone -galactono-1, Asc的前兆,花期推迟了5天(152年]。相关的检查记录控制开花时间显示,生物钟和光周期途径基因是升高的职业训练局这些突变体,这表明他们上位职业训练局突变体(151年]。171个基因的转录水平变化的观察vtc1突变体,包括许多防御基因如pathogenesis-related基因(148年]。脱落酸(ABA)含量显著增加vtc1突变,WT水平高出60%,这表明一些观察到的基因表达的变化可能是由于这种激素平衡的改变(148年]。
5。增加l通过增加生物合成抗坏血酸含量
最明显的方法提高植物Asc内容是增加其生物合成。根据使用的生物合成的酶,这种方法已经会见了好坏参半的结果,可能与催化反应是否代表一个病原反应步骤。过度的l半乳糖脱氢酶,这种酶的皈依者l半乳糖,l-galactono-1, 4-lactone(图1),在烟草导致增加3.5倍l半乳糖脱氢酶活性,但没有增加叶面Asc内容虽然压制l半乳糖脱氢酶表达在拟南芥导致酶活性降低和叶面Asc内容(表1)[37]。这个观察表明,野生型叶片的水平l半乳糖脱氢酶活动不限制但可能成为如果其表达水平下降,至少在烟草。这是否适用于其他物种,需要更全面的跨物种考试。相比之下,瞬态超表达的猕猴桃对(即。,kiwifruit) GDP-l半乳糖磷酸化酶(内D甘露糖/l半乳糖通路)使用agroinfection烟叶导致GDP增长了50倍l半乳糖-D-mannose-1-phosphate guanyltransferase活动和叶面Asc内容增加三倍以上29日)而过度的stably-transformed拟南芥导致Asc内容增加到4倍(153年]。瞬态超表达的猕猴桃GDP -l半乳糖磷酸化酶和GDP-mannose -差向异构酶在agroinfected烟叶导致增加7倍Asc内容(153年),这表明内生这些基因产物的表达水平可能速度限制在叶子,至少在烟草和拟南芥。
过度的D-galacturonic酸还原酶(GalURD-galacturonate通路)从拟南芥导致2 -草莓叶片Asc内容(表三倍增加1)[35]。观察GalUR可以促进生产l抗坏血酸通过D半乳糖酸和D-galacturonic酸不显示的程度这个途径有助于Asc生产草莓水果或其他器官如树叶。放射性示踪剂在草莓果实的数据表明,GalUR可能不超过一个次要因素Asc生物合成(36]。然而,减少果胶酸裂解酶的表达,这版本D-galacturonic在果胶酸溶解在成熟草莓水果,减少Asc水平建议D-galacturonate通路并导致这种水果的Asc池大小。此外,示范,叶面Asc增加过度后GalUR (35)表明,这个途径出现在叶子的基质,因此可以提供另一个途径增加Asc内容。这种超表达策略的潜力可能会依赖的可用性D-galacturonic酸在一个组织,可能因此限制那些器官,这种方法的有效性D从果胶-galacturonic酸被释放。
转基因烟草和生菜植物老鼠cDNA表达编码l-gulono-1 4-lactone氧化酶(GulLO)累计7倍Asc控制植物(38]。是否l-galactono-1 4-lactone或l-gulono-1, 4-lactone担任老鼠的衬底GulLO是未知的。因此,这些结果表明,内生l-galactono-1, 4-lactone担任老鼠GulLO或者衬底l-gulono-1, 4-lactone存在于植物。的观察l-gulono-1 4-lactone可以转化为Asc在一些植物(34,154年,155年)支持这Asc生物合成途径在植物的存在。
6。的监管l抗坏血酸回收
6.1。DHAR表达的调控
DHA后产生的自发歧化MDHA Asc和DHA。这可能发生歧化反应迅速,当pH值较低,例如,在类囊体光照后腔。MDAR不在类囊体的内腔和光合电子传递链的铁氧还蛋白位于基质类囊体膜,因此无法减少MDHA腔中生成,类囊体中所有MDHA腔可能不成比例为Asc和DHA。如果不迅速回收DHA Asc;然而,它经历了不可逆转的水解,3-diketogulonic酸不能转化为Asc,因此代表了Asc池损失。
DHA是减少Asc DHAR在反应要求谷胱甘肽作为还原剂(156年,157年)(图2)。因为质外体包含小达,DHA,主导在质外体,必须为减少进入细胞。削减达允许工厂回收DHA之前不可逆转的水解,从而重新夺回了Asc之前丢失。因为Asc是植物中主要的还原剂,DHAR有助于调节植物的氧化还原状态。DHAR在防止光抑制的重要性比在没有更好的证明热带榕属植物microcarpa,一个热带无花果。这个物种包含没有DHAR活动和高亮度高感光,导致光漂白(158年]。因此,有效地回收DHA的能力为Asc可以Asc的临界条件下被迅速消耗,例如,在光照水平超过植物的光合能力。
五达或DHAR-like基因在拟南芥基因组注释(159年]。三个基因成员:(AtDHAR1;At5g16710), (AtDHAR3;At1g75270), (AtDHAR5;At1g19570)编码多肽的其他物种含有明显的直接同源。剩下的两个成员,At5g36270 (AtDHAR2)可能是一个假基因微阵列数据表明它不是表达(159年)和At1g19550 (AtDHAR4)规模远小于规范DHAR蛋白质多肽由于多个区域的缺失从这个成员。三个典型的基因产物DHAR基因可能本地化细胞质(AtDHAR3;At1g75270),线粒体(AtDHAR5;At1g19570)或叶绿体(AtDHAR1;At5g16710) [160年]。个人DHAR基因微阵列数据的分析揭示了一个复杂的监管模式,以应对环境压力或者其他抗氧化酶(159年]。AtDHAR1和AtDHAR3表达式是诱导后暴露于寒冷或植物的抑制CAT2表达式[159年]。他们的表情反应不同,然而,在这个表达式AtDHAR1热而引起的吗AtDHAR3表达被压抑。此外,表达AtDHAR3高亮度而引起的吗AtDHAR1表达式是压抑的159年]。从所有三个规范DHAR基因表达被压抑后暴露在植物中盐或缺乏CSD2表达式。CSD2编码SOD,抑制其表达导致高亮应激反应即使在低光(161年]。这些观察表明个人的规定AtDHAR基因家族成员已经演变响应特定的非生物因素。
AtDHAR3表达增加32倍ppb臭氧200年后暴露在mRNA水平没有变化的表达亚型靶向线粒体和叶绿体(160年]。在缺乏AtDHAR3表情,植物缺少胞质臭氧(DHAR活动和更敏感160年),符合这种基因后臭氧接触的感应。尽管Asc的总池大小和在缺乏谷胱甘肽是不变AtDHAR3表情,Asc氧化还原状态下降了超过2倍由于DHA的增加。减少61.5%的水平当Asc也观察到在这个DHAR基因突变。由于没有DHAR质外体的活动,因此必须从质外体运输到细胞质中DHA回收回Asc,减少胞质同种型达将影响Asc质外体的氧化还原状态。减少DHAR表达式的作用对减少Asc内容介绍了我和增加臭氧敏感性是在良好的协议与早期观察烟草(162年]。
在ascorbate-glutathione周期的调节酶的分析在大麦发芽,达,谷胱甘肽还原酶和MDAR活动被吸入后4人力资源已经存在。达的情况下,其活动下降直到72年人力资源自吸,但到144年再增加人力资源后吸入GR和MDAR活动适度增加了自吸(后144小时163年]。没有APX型活动中检测出成熟的种子,但这是发现吸入后24小时,吸入后144小时进一步增加了14倍。DHAR蛋白质含量之间缺乏相关性和观察到的变化在其活动的层面上提出可能的转译后的监管。
GalLDH达,APX型、MDAR和GR活动马铃薯叶片表现出瞬态增加(Asc池大小增加陪同)后暴露在高(40°C)或低(5°C)温度,然后其次是减少在这些活动和Asc内容但叶片MDA水平的增加和H2O2(164年]。同样,转录水平、蛋白质、和活动达增加水稻幼苗暴露于高温(即。40°C) (165年]。Asc较低氧化还原状态观察drought-sensitive叶子的小麦基因型,Cappelle Desprez,比耐旱平原的居民V基因型在轻度水分亏缺(166年]。这些观察结果表明,酶的表达参与活性氧解毒是诱导的早期应对许多非生物压力但是也与长期的压力压抑的条件。
6.2。监管MDAR表达式
Asc的氧化产生短暂的激进MDHA(图2)。MDHA是由几个意味着包括作为一个产品反应的催化APX型;Asc和任何的反应,,或者thiyl激进不减少正常清除系统存在于叶绿体;与生育酚等有机自由基反应后激进为了再生中生育酚类囊体(91年]。类囊体内腔,MDHA也是由VDE或捐赠后电子从Asc PSI、PSII (86年,167年]。MDHA可以回收Asc的铁氧还蛋白(Fd)在叶绿体基质或MDAR叶绿体基质或胞质91年]。类囊体内腔,MDHA不能减少Fd或MDAR既不存在于腔的空间。相反,MDHA自发不成比例的迅速Asc和DHA腔的pH值较低时,也就是说,在光照导致运输的质子从基质类囊体膜到腔的空间(85年,91年]。基质中pH值较高,尤其是光照后,MDHA不成比例的更慢。在这种情况下,Fd或MDAR减少MDHA Asc是可用的。PsaC PSI复杂负责减少Fd, photoreduced Fd的形式,捐赠电子辅酶ii+在Fd-NADP催化反应+还原酶(FNR)。Photoreduced Fd (redFd)可以捐赠电子MDHA减少Asc的速度107米−1年代−1(168年]。尽管redFd减少了和MDHA MDHA减少的速度由redFd 34倍大于辅酶ii+(168年]。MDHA也可以减少MDAR,黄素腺嘌呤二核苷酸酶(时尚),它使用NADH (;5μ米)或NADPH (;22 - 200μ米)的源电子(169年]。因为redFd优先减少MDHA结束,大部分MDHA减少通过Fd thylakoidal扫气系统可能发生。然而在基质,MDAR预计将大大有助于减少MDHA基质净化系统的一部分。
拟南芥基因组包含五个基因编码MDAR酶(159年]。微阵列数据的分析对个人MDAR基因家族成员显示复杂的监管模式,以应对环境压力或者其他抗氧化酶(159年]。然而,所有MDAR基因的表达被压抑后暴露在热(159年]。的表达AtMDAR3,AtMDAR4,AtMDAR5同样引起了水分亏缺或暴露在高亮度159年]。这些相同的基因也在没有诱导APX1表达式[159年]。的损失APX1表达导致缺乏气孔开放的反应,以及较低的光合活动和增强诱导热休克蛋白后暴露在温和的光压力(170年]。AtMDAR4被大多数压力包括水分亏缺,诱导冷,盐,和高亮度在植物缺乏APX1表达或抑制CAT2表达式。在其他物种中,胞质MDAR是诱导番茄受伤后(109年]虽然MDAR活动增加抗旱性根接触镉但拒绝后根的杨树杂交(杨树xCanescens)暴露于重金属(171年,172年]。MDAR活动增加水稻幼苗受到水分亏缺(173年]。
MDAR完全从核基因表达,但是这些编码亚型,针对细胞溶质,叶绿体、线粒体和过氧化物酶体。针对那些MDAR同功酶,过氧化物酶体,叶绿体和线粒体陪APX型和功能作为扫气系统解毒任何H2O2没有经历了歧化通常催化酶,过氧化氢酶(174年]。双重目标MDAR观察叶绿体和线粒体在拟南芥和导致多个转录起始站点的使用,生产的7个氨基酸氨基端扩展mitochondrial-targeted形式的蛋白质(175年]。的47-kDa AtMDAR1和54-kDa AtMDAR4亚型包含负责c端序列矩阵(PTS1)和目标相关的酶膜,分别为(176年]。表达式从MDAR1 peroxisomal-targeted MDAR豌豆,是调节最后暴露在寒冷和在一个较低的程度上通过与除草剂2伤害或治疗,现在也是酸(177年]。
7所示。增加l抗坏血酸含量通过改善回收
7.1。增加达表达式
DHAR在病原大量表达,大大有助于建立细胞(Asc氧化还原状态11,146年,162年,178年]。第一次尝试增加Asc内容在植物通过达使用的超表达人类DHAR基因的表达在烟草叶绿体(179年]。转基因植物已经超过2倍增加DHAR活动和GR活性(表中增加了1.43倍2)。虽然植物表现出2倍增加Asc氧化还原状态,Asc含量没有明显变化(180年]。此外,谷胱甘肽氧化还原状态(即。,the ratio of GSH to GSSG) of the plants was substantially lower due to a decrease in GSH and an increase in GSSG [179年]。
第一个证明增加达表达式可以提升Asc内容显示在转基因烟草表达胞质小麦和玉米达(11]。后小麦DHAR cDNA引入烟草和玉米,DHAR活动增加11 - 100倍,并伴随着Asc和它的氧化还原状态(表中增加2),符合DHAR在减少DHA Asc的功能。在扩大烟叶,DHAR导致的过度Asc和减少DHA同时增加。类似的Asc池大小和氧化还原状态观察玉米叶子和发展中内核(11),证明Asc的变化可以在光合作用和中非光合器官。当Asc和DHA水平测定的质外体DHAR-overexpressing烟叶,增加Asc内容及其氧化还原状态观察(178年),证明胞质DHAR监管协同服务的水平,当Asc池大小和氧化还原状态。DHAR表达的增加似乎没有影响Asc生物合成增加l-galactono-1, 4-lactone脱氢酶活性。增加谷胱甘肽的池大小和氧化还原状态,然而,确实发生11]。Asc的细胞浓度是由其合成和衰变的速率,观察到的Asc增加可以理解通过DHAR DHA回收的回收函数通过衰变Asc之前丢失。因此,Asc内容的增加和减少的DHA含量达overexpressing植物改变不仅Asc池大小,而且其氧化还原状态。能够提高Asc回收的效率通过增加达表达式表明这些物种的DHAR表达水平速度限制。因此,成功的可能性增加植物的Asc内容通过这种方式将取决于一个物种的DHAR表达水平是否率限制。
增加达表达式作为一个可行的策略来增加Asc水平和/或氧化还原状态的Asc植物已经在许多研究验证。方法包括增加DHAR在胞质或叶绿体表达,与叶绿体DHAR亚型都出现在同种型核基因的产物。从拟南芥转基因烟草表达胞质达有2.3 - 3.1倍增加DHAR活动和1.9 - 2.1倍增加在Asc Asc氧化还原状态[2.4 - -2.6倍增加182年]。表达一个拟南芥胞质DHAR在拟南芥DHAR表达增加了1.5 - 5.4倍,伴随着增加叶面Asc 2到4.25倍187年]。Asc氧化还原状态也增加3 - 16倍相对于野生型。烟草overexpressing一个拟南芥胞质DHAR展出Asc和增加其氧化还原状态没有改变池大小和氧化还原状态的谷胱甘肽(183年]。轻微增加达表达式后水稻胞质DHAR cDNA引入拟南芥导致了Asc略有增加内容(188年]。表达式的大米DHAR在烟草叶绿体转化增加叶面Asc水平稍微进一步增加在双叶绿体转基因表达GR和达184年]。Asc氧化还原状态大幅增加更多由于Asc和减少DHA同时增加。
为了提高玉米胚乳的营养价值增加三种维生素的合成,生成转基因玉米表达了玉米八氢番茄红素合成酶(psy1)小麦麦谷蛋白启动子的控制下,以及Pantoea ananatis胡萝卜素desaturase (crtI),米达,一个E。杆菌三磷酸鸟苷cyclohydrolase (folE),每个控制的大麦D大麦醇溶蛋白启动子(13]。在一起,psy1和crtI基因功能增加β胡萝卜素的水平,而达增加Asc内容,folE基因功能增加叶酸的水平。这些转基因导致增加169倍βAsc -胡萝卜素,6倍增长,翻倍的叶酸含量(13]。
芝麻DHAR cDNA引入土豆的控制下持续活跃CaMV 35 s启动子或patatin发起人,将表达特别是在块茎(185年]。patatin启动子指导高表达的芝麻DHAR在块茎而不是叶子而CaMV 35 s启动子导致表达比块茎叶子向更高水平发展。Asc内容Patatin: DHAR块茎从1.1增加到1.3倍没有叶子而CaMV35S Asc含量增加::达叶增加1.5倍,Asc CaMV35S内容::DHAR块茎增加1.6倍(185年]。在第二项研究中使用土豆,土豆的表达的胞质DHAR CaMV 35 s启动子叶子的Asc含量增加了逾1.6倍和块茎逾1.2倍(186年]。这的表达谱与胞质DHAR在表达的叶子,茎,和块茎,但其表达在块茎更高和更低的叶子和叶子年龄下降(186年]。相反,表达chloroplast-localized DHAR叶子从马铃薯DHAR活动增加和Asc含量达1.5倍,而不是块茎关联的表达谱中通常是表示最高的叶子他们成熟但不表示在块茎(186年]。这些结果表明,增加DHAR在叶绿体表达作为一种手段,提高Asc可能有限光合成有效组织而增加胞质达表达式可能会提供一个方法增加Asc内容更广泛的器官。
7.2。增加MDAR表达式
从组成型启动子表达的胞质番茄DHAR茄(var。Micro-Tom)导致增加1.6倍Asc在成熟的绿色和红色水果从植物种植在低光,但叶面Asc持平(189年]。类似的方法过度表现胞质番茄MDAR导致显著降低Asc内容在成熟的绿色番茄果实,而是一个一成不变的Asc叶子(表中的内容3)[189年]。然而,茄和改善冷却宽容MDAR表达之间的相关性在水果(190年),并增加MDAR表达烟草改善公差对盐和渗透压力(191年]。表达一个番茄chloroplast-targeted MDAR茄MDAR活动增加了约1.9倍,叶面Asc增加了1.2倍DHA,相应的减少导致Asc氧化还原状态的近似两倍(192年]。烟草overexpressing一个Arabidopsiscytosolic MDAR Asc内容略高,氧化还原状态与谷胱甘肽池大小没有变化或氧化还原状态183年]。达工作相比,有相对较少的报告MDAR表达增加造成的影响,这对Asc内容。报告日期做建议,然而,针对MDAR表达式可能会增加Asc内容,但它可能不是成功目标达表达式。
8。改变DHAR表达在植物的后果
8.1。DHAR表达可能影响以外的抗氧化剂抗坏血酸水平
改变Asc内容和/或其氧化还原状态可能会影响其他抗氧化剂的水平或那些生成的酶的活动。迄今为止,尽管大多数研究发现增加达表达式结果在Asc增加内容和/或在Asc氧化还原状态,减少协议对其他抗氧化剂对其可能的副作用。增加谷胱甘肽含量及其氧化还原状态观察DHAR-overexpressing烟草和玉米在GR的活动没有显著变化,APX型,猫,SOD (11]。类似的效果对谷胱甘肽含量及其氧化还原状态观察拟南芥中表达一个拟南芥胞质达(187年]。谷胱甘肽的增加伴随Asc的增加表明,这两种抗氧化剂之间协调平衡,这并不出人意料,因为达谷胱甘肽是必需的。因为谷胱甘肽是在一到两个数量级的浓度低于Asc [79年],增加水平的Asc谷胱甘肽可能需要相应增加,表明Asc的变化可以作为一种信号,让谷胱甘肽池大小的变化。人类DHAR烟草叶绿体基因的表达,然而,导致GR活性增加1.43倍,大幅减少谷胱甘肽氧化还原状态由于低水平的谷胱甘肽(179年]。需要额外的工作来充分描述的效果增加胞质与叶绿素的表达达对其他抗氧化剂和那些生成它们的酶。
8.2。DHAR表达调节宽容环境ROS
因为Asc是植物中最丰富的抗氧化剂,大多数研究改变的后果DHAR表达主要集中在应对环境压力变化产生活性氧,例如,高亮度,臭氧、冷却、盐、或干旱。第一个令人信服的证明Asc在保护植物从环境中扮演着一个关键的角色ROS的职业训练局拟南芥的突变体(27,101年]。的vtc1突变,只有25% - -30%的野生型的Asc水平,是臭氧、二氧化硫(高度敏感25,27,102年]。作为vtc1植物含有更高的氧化负载相对于野生型植物当暴露在压力条件,如盐即使它们含有更多的谷胱甘肽(107年),其较低的Asc内容显然是负责排毒与活性氧的损伤。
内生的Asc排毒臭氧是重要的是介绍了我所示烟草的水平Asc是专门介绍了我改变(193年]。减少在Asc overexpressing后氧化还原状态apoplastic-localized抗坏血酸盐氧化酶(AO)从黄瓜转基因烟草增加了臭氧敏感性[193年]。AO表达的增加并不影响抗坏血酸盐的总量(即。,作为c and DHA) in the apoplast or symplast but did convert virtually all apoplastic Asc to DHA thus eliminating the potential for detoxification of ozone in the apoplast. The increase in apoplastic DHA also resulted in a lower symplastic Asc redox state which would further compromise the ability to detoxify the ozone invading the cytosol. The observation that the level of symplastic glutathione was not reduced, and its redox state was actually higher in tobacco overexpressing the apoplastic-localized AO [193年]表明,臭氧敏感性的增加可能是由于较低的Asc氧化还原状态。
植物可以限制造成的损害环境ROS,如臭氧、通过减少其扩散到室内(即叶。、避免)或解毒的任何输入(即。、宽容)[194年]。当臭氧进入工厂,它迅速降解为羟基自由基等活性氧可以转化为H2O2(92年,195年]。ROS首次发现在保卫细胞叶绿体和膜扩散到邻近的细胞(196年]。随着臭氧转化为H2O2在质外体或后进入细胞质(92年),H的数量的增加2O2在保卫细胞促进气孔关闭从而限制进一步臭氧进入叶内部。回避策略,因此,关注限制臭氧扩散成一片叶子。相反,宽容策略包括臭氧解毒,通过化学反应,当Asc或酶学,例如,转换后的臭氧,APX型H2O2在胞质。
增加Asc回收通过增加DHAR表达水平的降低H2O2在保卫细胞,导致保卫细胞的响应性的减少臭氧(162年,178年]。因此,这个保卫细胞的响应较慢,允许更多的臭氧扩散到叶内部(162年,178年]。同时,然而,增加DHAR叶子的其他细胞的活动增加了Asc内容的质外体和共质体,从而增加他们的解毒能力的臭氧进入叶内部(162年,178年]。相反,减少Asc回收通过抑制DHAR表达增加了保卫细胞的反应臭氧从而限制臭氧扩散到叶内部(162年,178年]。然而,DHAR表达减少,降低了Asc内容和叶细胞的氧化还原状态,从而降低他们入侵臭氧解毒的能力。
达的一代植物表达增加或抑制提供了一种手段来解决的问题是否改变保卫细胞响应或叶面Asc内容本身更有用预防环境所强加的氧化应激ROS。虽然保卫细胞DHAR-overexpressing烟草对臭氧和允许更大的臭氧扩散,叶大Asc含量减少了负载(即氧化。,较低水平的叶面和H。介绍了我2O2),这样他们有较低的诱导ROS-related酶活动,更多的叶绿素,更高层次的光合活动后急性暴露于臭氧比控制植物(162年]。相反,保卫细胞DHAR-suppressed烟草被臭氧限制其反应扩散到叶内部也降低了叶片的光合活动(162年]。因此,增加DHAR表达式允许更多的臭氧进入叶内部,而且还提供了额外的臭氧减少入侵的能力。这个策略(即提供更大保护。,greater tolerance) against oxidative damage imposed by this environmental ROS without compromising photosynthetic activity than did reducing total stomatal area (i.e., greater avoidance) which limited photosynthetic activity in addition to ozone diffusion [162年]。这些结果表明,高叶面Asc带来更大程度的保护环境氧化损伤比增加保卫细胞响应能力。
这些观察验证在转基因烟草表达的胞质拟南芥达2倍增加Asc内容和表现出增强的耐臭氧(以及干旱、盐、或聚乙二醇)以光合活动(182年]。此外,拟南芥的臭氧表现出更大的敏感性AtDHAR3突变体,它无法表达胞质达活动(160年),作为额外的证据表明DHAR在应对环境ROS的重要性。的观察AtDHAR3突变Asc低氧化还原状态而不是池大小表明Asc回收的效率,是限制氧化损伤的关键。的感应AtDHAR3表达后臭氧接触(160年是进一步说明DHAR在此响应程序的作用。这些结果与报告一般协议表明Asc的重要性提供抵抗氧化压力由臭氧(197年,198年]。
8.3。DHAR表达调节宽容其他非生物压力
除了臭氧,增加达表达式赋予更大的宽容其他环境压力。烟草在叶绿体表达人类DHAR基因增加了Asc氧化还原状态不改变Asc池大小(180年暴露后)和5μ甲基紫罗碱或200毫米H2O2,植物表现出膜的伤害减少40%和25%相对于控制,分别。转基因苗也增强耐低温(15°C)和100毫米氯化钠180年]。结合表达式的chloroplast-localized DHAR chloroplast-localized SOD(即的表达。,a CuZnSOD) and APX had a similar effect on increasing DHAR activity as well as the Asc and GSH redox states relative to plants expressing just the chloroplast-localized CuZnSOD and APX [199年]。的结合这三种抗氧化酶导致增强的百草枯和100毫米耐盐碱,表明越来越多的有益作用达表达式可用于组合方法与其他酶参与氧化应激,及其包含提供方法显著提高,采用CuZnSOD和APX型。
烟草的同时表达两双chloroplast-localized酶,即一个E。杆菌GR结合一个E。杆菌glutathione-S-transferase(销售税)展品GSH-dependent过氧化物酶活动或米达,导致Asc和谷胱甘肽含量的增加以及各自的氧化还原状态(184年]。加强对这些转化株耐盐和观察冷(184年]。从植物叶圆盘overexpressing达和GR或销售税和GR是更有效地减少H2O2在冷却压力比叶圆盘从植物overexpressing DHAR或独自销售税。虽然每一个转基因的表达未能给予宽容甲基viologen-induced氧化应激,组合表达式达和GR或销售税和GR (184年),这表明增加叶绿素达和GR回收活动耐受非生物压力增加。在对CdCl没有区别2或ZnSO4观察transplastomic线相对于WT,且仅略有增加盐耐受性观察(184年]。
烟草overexpressing拟南芥胞质铝DHAR展现更大的宽容,在不影响铝的分布或积累根提示后24小时的暴露(183年]。DHAR-overexpressing植物保持更大的Asc内容根治疗前和治疗后Al和维护一个更高层次的APX型活动后Al治疗比野生型植物。DHAR-overexpressing植物的根也有低水平的H2O2、脂质过氧化反应和DNA损伤和最好根增长相对于野生型植物(183年]。增加APX型表达或抑制AO的表情似乎也有相似的效果对烟草烟草叶绿体APX型的超表达增强耐盐胁迫和水分亏缺120年]而AO表达的抑制导致更大的Asc氧化还原状态,较高的光合活性,减少H2O2(200年]。
在拟南芥中,增加DHAR表达增加Asc内容及其与相应增加谷胱甘肽氧化还原状态的内容和它的氧化还原状态(187年]。这些DHAR-expressing植物保留更多的Asc和叶绿素减少膜损伤比控制植物后暴露在高亮度和高温度或后治疗百草枯(187年]。过度的大米DHAR在拟南芥也增加了耐盐胁迫发芽虽然DHAR活动的增加和总抗坏血酸盐很小(188年),这表明水稻可能达活动的变化高度敏感和总抗坏血酸盐。增长超越了苗期没有检查。没有观察到的耐寒性差。
8.4。DHAR表达调节保卫细胞反应
尽管可以高度活性氧破坏和改变Asc内容通过改变DHAR表达式可以显著影响伤害的水平持续接触ROS-generating环境胁迫时,ROS也重要的信号功能提供外部环境变化的信息。H2O2已经涉及服务在保卫细胞信号的作用,确定气体交换的程度和蒸腾。气孔在许多物种在早上打开毛孔但在下午接近限制水损失(201年]。气孔毛孔也近在介导反应条件有限的水通过ABA的作用。ABA信号导致增加胞质从H浓度2O2激活渠道和从细胞内释放商店(94年,95年,202年]。水压力会导致增加H2O2生产,进而作为信号中间促进气孔关闭(202年]。虽然烟草overexpressing DHAR增长通常在富水条件下,增加了Asc氧化还原状态导致了蒸腾速率的增加和失水率在正常和水分胁迫的条件下而降低了Asc氧化还原状态通过抑制DHAR表达减少水损失高达30% (178年]。此外,在严重水分胁迫导致叶片萎蔫DHAR-overexpressing植物和有限的速度2同化是大大减少,DHAR-suppressed叶子保留膨,有限公司2同化仅略减少相对富水条件(178年]。因此,增加DHAR表达增加了Asc保卫细胞的氧化还原状态和结果的响应性水压力减少。这反过来又导致了一个增强的失水率由于总打开气孔面积的增加。相反,抑制DHAR表达减少蒸腾和有限公司2同化在正常生长条件下由于减少打开气孔面积也减少水分流失导致增加抗旱。
Asc在保卫细胞功能的作用可以通过它作为清道夫的角色因此被理解的H2O2即H之间的平衡2O2生产和Asc氧化还原状态建立了H2O2浓度上升到一定程度,会引起气孔关闭。日增加H2O2发生这样的H2O2上升,下降过程中再次在夜间178年]。这周日H水平的变化2O2可能是由于photosynthetic-related过程,如光呼吸和氧光致还原作用(例如,梅勒过氧化物酶反应)。这些函数保持流动的电子通过PSI的overreduction为了防止光和photodamage91年]。在梅勒反应,生成过氧化物的电子转移PSI氧气SOD不成比例啊2和H2O2。APX型然后降低H2O2水使用Asc作为还原剂。ABA也可以引起H2O2生产所需的信号促进气孔关闭(202年]。DHAR在病原存在量,观察日增加DHA发生在白天可能反映了消费的Asc减少H2O2和内生DHAR水平无法有效地减少Asc的DHA。因此,多余的光线条件下,消费的Asc水水循环和病原的DHAR无力再生Asc有效地允许H的浓度2O2增加的水平信号气孔关闭。达超表达提供了一个更大的水库Asc同时也使Asc更高效的再生,H2O2维持在一个较低的水平,因此延迟气孔关闭。这解释了大开放气孔面积,增加气孔导度、蒸腾速率更高,更高的失水率,降低耐水压力,并降低保卫细胞响应ABA和H2O2观测到的信号DHAR-overexpressing植物(178年]。相反,减少DHAR表达低于野生型水平降低了Asc氧化还原状态,减少了Asc再生效率消耗导致高架时积累的H2O2,进而引发更大程度的气孔关闭甚至nonstress条件下(178年]。信号的函数H2O2因此,在保卫细胞,是由其生产的速度,其去除Asc和达扮演至关重要的角色。
8.5。DHAR表达调节植物生长
除了高度敏感,臭氧、二氧化硫、或UVB光,vtc1植物展览拍摄增长放缓,小叶子,和减少拍摄鲜重和干重102年),这表明Asc池大小变化影响植物生长。植物在DHAR表达表现出抑制叶扩张的速度较慢,拍摄增长放缓,推迟开花时间,减少叶片干重(146年]。这些表型与叶函数以减少叶绿素a的优惠损失,减少水平的二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶大亚基(RbcL),和一个低利率的有限公司2同化在年轻的叶子和过早衰老的成熟叶(146年]。虽然减少达表达式可以减少气孔导度这可能会限制公司2扩散到叶内部,减少的有限公司2同化在扩大和新扩展的叶子气孔导度没有显著影响(146年]。此外,尽管老DHAR-suppressed叶子气孔导度越低,substomatal有限公司2浓度高于控制树叶,表明有限公司2扩散到叶内部没有被而是有限有限公司2没有被有效利用。降低膨胀率在嫩叶DHAR-suppressed植物是一个可能的结果加速损失完全展开叶的叶函数可能过早地减少了光合作用的产物可以用于水槽组织。这也解释植物的增长速度较慢,以株高和叶片数。DHAR表情的影响叶片衰老与脂质过氧化水平负相关表明Asc回收的效率是非常重要的在调节ROS-mediated损伤(146年]。类似的对植物生长的影响观察番茄中表达的酶催化原理Asc生物合成途径的最后一步是压抑的使用反义方法(203年]。多达80%的表达的抑制作用l-galactono-1 4-lactone脱氢酶(GalLDH)导致更低的Asc氧化还原状态不改变总抗坏血酸盐含量番茄。植物生长速率下降,减少最终大小的叶子和果实(减少细胞扩张的结果203年]。镇压GalLDH烟草2细胞株表达导致Asc少30%,和线条表现出细胞分裂和生长速率的减少128年]。
相比之下,增加DHAR表达导致更高水平的RbcL和叶绿素和较高的公司2同化在presenescent叶子146年]。然而,增加达表达式没有大幅提高叶扩张或整体植物生长,表明内生DHAR表达水平足以提供Asc回收的程度,没有速度限制光合活动需要支持最大的增长。这与DHAR在调节保卫细胞功能的作用,达的过度导致枯萎表型(178年]。
8.6。DHAR表达调节光合活动
减少DHAR表达导致变更的叶黄素色素占减少量化宽松政策和增加光抑制(气)181年]。减少PSII的量子产率(PSII)和电子传递速率(ETR)陪同NPQ的减少,而ROS水平增加。叶子与减少DHAR表达表现出复苏后暴露在高亮度差,表明他们经历了更大程度的光抑制181年]。增加DHAR表达导致提高叶黄素色素,叶绿素池的大小,以及在ETR和公司2同化,尤其是在高亮强度,而ROS水平降低(181年]。DHAR表达的增加导致更少的光抑制后暴露于高的光。因此DHAR函数来确保适当级别的感应NPQ与导致光在叶片衰老。这些观察支持这样的结论,通过其Asc回收功能,DHAR行为规范基础的ROS水平出现在叶子在他们的发展,因此,调节叶片衰老的速度定义为其光合活动。因此,这些观察支持这样的结论,DHAR在树叶的一个重要功能就是维持光合功能通过限制ROS-mediated损伤。
9。改变MDAR表达在植物的后果
相对于使用达或Asc生物合成的突变体,减少研究MDAR表达的变化如何影响植物生长和功能已报告。的观察MDAR超表达程度似乎影响Asc水平小于的超表达DHAR在某种程度上也许可以解释为这些报道较少。MDAR零突变体,然而,展示了至关重要的作用,这种活动可以玩。如前所述,表达MDAR4损失,如sdp2拟南芥的突变体,是有条件地seedling-lethal种子无法分解存储油(121年]。这peroxisome-membrane相关MDAR同种型函数来降低H2O2泄漏过氧物酶体为了保护标签脂肪酶活性和储存石油水解石油的身体在幼苗生长密切相关。损失的活动导致H2O2介导的失活标签脂肪酶活性,因此无法使用存储的石油需要支持幼苗生长(121年]。
番茄幼苗overexpressing chloroplast-targeted番茄MDAR, Asc轻微增加内容和Asc氧化还原状态的近似两倍,较低氧化负载(以H2O2),低硫代巴比土酸活性物质(TBARS)内容(衡量膜损伤),更高的净光合速率(),PSII的最大光化学效率更高——和更大的鲜重当受到低收入(7天4°C)或高——7天(40°C)温度应力(192年]。类似的结果当植物处理甲基紫罗碱。相比之下,反义转基因线表现出54 - 60%的野生型MDAR活动水平减少21 - 27% Asc和2倍减少Asc氧化还原状态有较高的氧化负载,提高TBARS内容,降低,降低,减少了在相同应力条件下鲜重(192年),这表明增加叶绿素MDAR表达式可以提高番茄幼苗的宽容某些类型的环境压力。这将是重要的检查是否有类似的好处是授予成人植物和这是否反映在水果产量。
过度的拟南芥MDAR烟草表现出增强的耐臭氧和减少H展出2O2和增加光合活动暴露在盐(191年]。Asc内容增加在烟草根的拟南芥胞质MDAR过表达时在正常条件下种植,但不会在铝的存在而DHAR-overexpressing植物生长期间保持更大的Asc池大小之前和之后的治疗(183年]。此外,任何影响根系生长或MDAR-overexpressing之间的观察DNA损伤程度和野生植物(183年),这表明达的过度表达,但不是MDAR,是重要的在维护所需的更高层次的Asc促进根系生长的。
10。结论
相比单一途径负责Asc动物生物合成,多个Asc生物合成途径是存在于植物,或许反映出这个分子植物健康的重要性。上升的大气中的氧气在地球的历史会产生了一个特殊的挑战陆地生物,导致更多地依赖限制有害后果的增加抗氧化剂接触氧气。所有Smirnoff-Wheeler Asc生物合成途径的酶存在于藻类(204年),证明这个途径的进化前陆地植物的外观。然而,作为一个无电荷的分子,生命周期较长,H2O2可以自由通过细胞膜,因此扩散从藻类到水环境可能提供另一个方法来减少氧化负载。因为这大道不是用于陆地植物,抗坏血酸,连同其他抗氧化剂,可能促进他们的殖民土地。从它的作用在调节光合作用和抗氧化解毒外生和endogenously-generated ROS,它的作用在调节细胞分裂和开花,它的功能是一种酶辅助因子在多个酶反应,抗坏血酸已成为必不可少的植物生长的许多方面和响应程序。维生素C也已成为至关重要的植物每天,因为它是不可能的,工厂可以容忍一天的日照时间,没有抗坏血酸被用来解毒光合成生成的活性氧。尽管它在排毒ROS作用的重要性,抗坏血酸是现在整合到植物的生长和发展,它的重要性不能被低估。此外,抗坏血酸水平变化大大改变植物的基因表达谱,特别是那些与光合功能相关的基因的表达(205年),提高的可能性,多个改变Asc内容后意想不到的后果。虽然在Asc内容变化的影响在卡尔文循环酶活性没有检查,Asc支持光合功能的程度可能影响的建立依赖光transthylakoid膜pH梯度进行卡尔文循环酶的激活。额外的抗坏血酸在植物生长和角色的反应程序,目前未知的(例如,nitrosative压力)也需要被识别为一个完整的欣赏这个多功能分子。因为它的许多角色的复杂性,任何试图工程师植物抗坏血酸含量的变化,提高的一个方面,如营养含量,需要仔细检查的这些变化如何影响总体健康和植物在现场条件下的性能。这无疑将需要具有高度针对性的方法改变抗坏血酸含量特定类型的细胞或组织来实现所需的结束,同时限制可能的意想不到的后果在其他方面的发展,开发和对生物和非生物胁迫的响应。
缩写
| 阿坝: | 脱落酸 |
| AFRR: | Ascorbate-free彻底还原酶 |
| AO: | 抗坏血酸盐氧化酶 |
| APX型: | 抗坏血酸盐过氧化物酶 |
| Asc: | 抗坏血酸盐 |
| CaMV: | 花椰菜花叶病毒 |
| 猫: | 过氧化氢酶 |
| 排名: | 叶绿素 |
| DHA: | Dehydroascorbate |
| 达: | Dehydroascorbate还原酶 |
| ETR: | 电子传递速率 |
| Fd: | 铁氧还蛋白 |
| GalLDH: | l-Galactono-1, 4-lactone脱氢酶 |
| GulLO: | l-Gulono-1, 4-lactone氧化酶 |
| GalUR: | D-Galacturonic酸还原酶 |
| 格: | 谷胱甘肽还原酶 |
| 谷胱甘肽: | 谷胱甘肽 |
| 销售税: | Glutathione-S-transferase |
| HRGP: | Hydroxyproline-rich糖蛋白 |
| MDA: | Monodehydroascorbate还原酶 |
| MDAR: | Monodehydroascorbate还原酶 |
| 奈特: | Nucleobase-ascorbate运输车 |
| NPQ: | Nonphotochemical淬火 |
| PSII: | 量子产率的PSII |
| 量化宽松政策: | 依赖资源NPQ |
| 气: | 光抑制 |
| :: | 二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶大亚基 |
| 质量控制: | 静止中心 |
| PSI: | 光系统I |
| PSII: | 光系统II |
| RDA: | 推荐膳食津贴 |
| ROS: | 活性氧 |
| SOD: | 超氧化物歧化酶 |
| TBARS: | 硫代巴比土酸活性物质 |
| VDE: | 黄质de-epoxidase。 |
确认
作者感谢美国农业部(NRICGP 02-35100-12469)和加州大学的农业实验台的支持他的工作。