【doc】果蔬成熟和衰老中的重要酶—脂氧合酶

【doc】果蔬成熟和衰老中的重要酶—脂氧合酶 果蔬成熟和衰老中的重要酶—脂氧合酶 果树科学.16【1】:72--77.1999 Journa1ofFrunScienc 果蔬成熟和衰老中 生吉萍申 酶一脂氧合酶 云波 c中国农业大学食品学院.北京100094;.北京市农业技术推广站) 摘要脂氧合酶是广泛存在于植物体中的一种酶,已有研究明,它可能参与植物生长,发育, 成熟,衰老和防御过程的调控.近年来,随着对果蔬采后生理研究的深人,越来越发现脂氧台酶与 果蔬幕后的变化有关,它调节某些物质的合成,参与乙烯的代谢逮径,并与果蔬的抗性,风味,颜 色,硬度等都有密切的羌系综述丁脂氧合酶在采后的研究进展,提出了该酶可能是控制栗后生理 变化的关键酶,并提出寻拽脂氧告酶特异性抑制剂,用反义基因技术控制该酶的生物合成,培育耐 贮新品种的设想 关键词堂塑求挈瓣 Lipoxygenases--ImportantEnzymesinthe scencingofFruitsandVegetables ShengJ~piag,ShenIAn,andLuoYunho 弓 RipeningandSen一 CoHeKejFood-(TtinaAgriru&uralE:nH~sity?"eg00094l~eifingAgrSultural7"e,hn nl#g~'ExtensimJ ,,雎r, A~stractLipoxygenases(LOXs)are!,olllekindsofubiquitousenzymesinhighplant.Studies0/l LOXshowedlhatLOXsmayparticipateintheregulaliOnofgrowth,development,ripening sencsceneeanddefensereactiQnofplants.Recently,LOXswrefoundhavingcloserelationship withpostharvestchangesoffruitsandvegetables,suchassyntheticregulationofsonicmaterials. participationinethylenebiosynthesis.itwasalsofoundthatI.OXshavebeenphysiologicallyre[at— edtOplantresistance,flavor,colorandfirmnessThisarticlebrieflyreviewedtheprogressin LOKsstl~diesOITphysiologyofplant,especiallyOnthepostharvestphysiologyoffrlairs,andsue— gestedtheworkmightbecontactedonexploringtinhibitorsofLOXs.byusingva.riou8bio chemicalmethodssuch8santisensegenetechniquetoregulatethebiosynthesis.{thisenzyme KeyWordsLipoxygenase}Ripening:Senescence;Ethy!eneFruitquality 脂氧合酶是近2o年发现的与植物代谢有密切关系的一种酶,它广泛存在于植物体 中研 究认为,它可能参与植物生长,发育,成熟,衰老的各个过程.特别是成熟衰老过程中 自由基的 产生以及乙烯的生物合成,都发现有脂氧合酶的参与因此,脂氧合酶被认为是引起 机体衰老 的一类重要的酶国内外对脂氧合酶的研究热点出现在90年代,它与果蔬采后变化 关系的研 究也刚刚开始,该酶的许多生理作用的作用机制还不完全清楚.本文在本实验 室研究工作 的基础上,结合国内外研究新成果,对脂氧合酶与果蔬成熟衰老关系予以综述,并 提出今后研 究的重点 奉丈于l9980630收到{l998l0l2修回 崔吉萍,女.:2岁,井师,博士. 要 重 勺自 ^广广广 1期生吉萍等:果蔬成熟和衰老中的重要酶脂氧台酶 1脂肪氧台酶在果蔬成熟衰老中的作用 脂肪氧合酶(Lipoxygenase,LOX),又称脂肪氧化酶(Lipoxidase)或胡萝素氧化酶 (CaroteneOxidase).专一催化分子中含顺,顺1.d戊二烯结构的多不饱和脂肪酸它的主要 底物在植物中主要是亚油酸和亚麻酸.主要产物为过氧氢基脂肪酸(Hydr.peroxide) 植物体内的脂肪氧合酶能直接或间接参与多种代谢反应,具有多方面的生理作用.与果蔬 与衰老有关的可概括为以下几个方面: 1.1调节成熟过程中某些物质的合成 在研究IOX与植物生长发育的关系时发现.植物从萌发到长成的过程中.IOX的种类发 生较大的变化.酶活性有较大的差异.尤以快速生长的植物组织中酶活性较高,在种子的萌 发过程中,高活眭的LOX能使细胞膜破裂.加速贮藏物质的转向和定向运输试验证明. 植物的特殊气味的生成"及其成熟过程中有特殊香气的产生一,是IOX催化分解生成的醛 类,醇类,酯类化合物等挥发性物质作用的结果 1.2控制果蔬的成熟与衰老 IOX对植物细胞膜有破坏作用.引起植物机体的成熟与衰老.有人认为.LOX能直接 作用于生物膜系统中的不饱和脂肪酸.而需要磷脂酶的协同作用.但LOX确实是酶促脂 质过氧化的重要因子,它能催化游离的不饱和脂肪酸产生的脂质过氧化自由基.直接作用于膜 磷脂中的结合态不饱和脂肪酸.导致磷脂双分子层的破坏,磷脂双分子层一旦遭到破坏.细胞 膜的透性就会大大增加,溶质开始渗漏,膜的分室效应丧失,使代谢紊乱和机体衰老另外, IOX催化产生的自由基,过氧化物,丙二醛等能对机体的活性物质如DNARNA,酶等造成 伤害: 近年在茉莉属植物中发现的茉莉酮酸(Jasmonicacid,3A),是一类广泛存在于机体中的 与机体衰老有关的化合物.JA能直接抑制幼苗的生长和促进机体的衰老,还能参与ABA及 乙烯的生物台成而间接地引起机体衰老."J.研究证明.LOX是植物JA生物合成的关键酶 由此可见.LOX的确参与了植物的成熟与衰老过程 1.3提高果蔬的抗性 关于LOX与植物抗性的关系,己有人做了研究.Hildebrand发现,植物受伤和病虫侵害 时,LOx的活性和代谢产物剧增12,],他还发现.抗性品系的植株较敏感株LOX活性高得 多.Hildebrand认为.氢过氧化物及氧化自由基.挥发性醛类化合物,都不利于病虫的生长. 伤反应中形成的创伤素能促进伤口的愈合.也能抵抗病原微生物的侵染.目前有研究者正试图 将高效表达的LOX外源基因转移到水稻.培育抗稻瘟病的水稻新品种] 2LOX与跃变型果实的成熟和衰老 2.1跃变型果实成熟和衰老的特点 按照呼吸类型.将果实分为跃变型果实和非跃变型果实两种.跃变型果实在采收以后有一 个明显的呼吸高峰.伴随着呼吸高峰的出现.乙烯的产生也出现一个高峰 众所周知.乙烯是植物重要的衰老激素.外源乙烯能够刺激跃变型果实的内源乙烯产生. 并导致跃变型果实的成熟与衰老如果采取一定的条件如冷藏,气调贮藏,转基因等,控制跃变 型果实的内源烯产生.那么它们的或熟j衰老就会得到很好的控制. 2.2LOX与跃变型果实 作为典的呼吸跃变型果实的香蕉和桃.Maguwire和Haardll.观察到它们的膜脂质 过氧化作用增强,I()x活性升.有人发现辣椒也有此现象.林植芳等ll荔枝为试验材 料进行的试验取得r1司样的结果.苹果果实在成熟过程,IOX的活性及脂质过氧化作用也大 大增强!.Zamora和罗云波对番茄的研究发现.番茄果实从绿熟期到转红期的成熟进 程l}].IOX活性增加rl8_.外源I,OX处理可增加果实组织的渗透率.加速果实的衰老 2.3l|OX与乙烯的生物合成 LOX可能参与乙烯的生物合成1984年.Bousquel和Thimann发现.在底物,【油醢和 协同因子Mn,磷酸吡哆醛存在时.1()xn丁在体外合成乙烯.提出了LOX作为体内EFE的 可能性1.986年,Pirrung重复了Bousquet的试验.芹提出了IOX催化多不饱和脂肪醢氧化 产生的超氧自由基.直接参与了ACC生成乙烯的过程但是.在1987年.Wang和S.F. Yang指山.体外的I.OX系统尽管能将ACC转化为乙烯.但不能区别它的底物AEC的 叫种异构体:外源亚油酸之所能引起乙烯的生物合成增加.是由于亚油酸增加了膜透眭和外 源ACC的吸收.活体内能将ACC转化为乙烯的仍然是EFE.而并非L()x1995年.单积修 等用苹果作试材研究发现.在活体内EFE被抑制时.体内I.OX系统仍能高效地合成乙烯 由此推论出,LOX和EFE可能是生物体内存在的两个平行的酶系,两者均有合成乙烯的能 力 许多研究者发现.跃变型果实在成熟过程中乙烯合成速率有明显的升高.在某些胁迫条件 F,LOx能取代EFE将ACC转化为乙烯的发现.丰富r乙烯生物合成的理论.为探索控制果 实成熟衰老机制提供r理论依据.LOX以及I.Ox途径代谢产物可以影响果实乙烯的生物台 成.并可能在果实成熟过程中发挥重要作用 3LOX与非跃变型果实的成熟和衰老 对于IOX与跃变型果实的成熟和衰老研究居多,己发现随着果实的成熟和衰老,I()x活 性逐渐上升=.而对于非跃变型果实成熟与衰老过程中的LOX活性变化情况研究 较少在以草莓为材料的研究中J.发现I0x活性在草莓成熟和衰老中活性显着增加.增加 的快慢与品种特性有关由此可见.I.OX在草莓等非跃变型果实的采后成熟衰老过程中也是 一 个非常活跃和关键的酶. 4I0x与果蔬品质和耐贮性的关系 4.1风味物质的形成 I.OX在植物体内存在多种同f酶,不蚓的同1=酶参与不同的生化过程,发挥不同的生理 功能,果蔬成熟衰老过程中香气成分的合成,可能就是由不同的同工酶来完成的现已发现. I.OX是黄瓜,茶叶等台成特有香气成分的关键酶草莓,苹果,香蕉等芳香成分也与I()x有 关 4.2颜色的变化 有人研究发现,草莓在成熟过程中,随着I.OX活性的升高,果实内部花青素含量增加. 1期生吉萍等:果蔬成熟和衰老中的重要酶脂氧合酶 果实外部颜色逐渐变深.这可能是LOX活性升高导致了果实内源乙烯的生成和累.而乙 烯是控制果实成熟衰老的重要激素之,.它能促进叶绿素的降解和叶绿素的合成 4.3LOX与果实硬度的关系 果实的硬度是果实品质的一十重要指标.较大的果实硬度能提高果实的耐时l=能力有人发 现.多聚半乳糖醛酸酶(PG)和纤维素酶是引起苹果,梨,番茄,鳄梨等大多数果实软化的主 要酶.导致草莓等软化的主要酶是纤维素酶而不是PG由于IOX能破坏生物膜的结掏.引起 组织降解.因此LOX也可能是导致果实软化的因素之一 5L0X的测定与研究方法 I()x可以催化多不饱和脂肪酸的加氧反应.因此.LOX活性的测定可用多不饱和脂肪酸 如亚油酸,亚麻酸及花生四烯酸等作为反应底物.利用氧电极和分光光度法来测定.. 5.1氧电极法 在底物浓度一致的情况下.一定的时间内反应体系中氧的浓度与酶活力的大小线性相 关.即LOX催化底物反应时消耗氧.溶液中氧浓度的碱少速率与酶活力的大小成正比:利用 氧电极可以精确地测定I()x的活性此方法需要严格控制反应系统的温度,但灵敏度很高 5.2分光光度法 IOX催化多不饱和脂肪酸产生具有共轭双键的过氧化氢物.此化台物在234nm波长具 有吸收峰.并且峰的高度与酶的活性有显着的正相关.所以.在反应体系中以多不饱和脂肪酸 作为底物,用分光光度法则可测定IOX的活性.但测定时同样要控制好温度和反应时间等因 素. 6利用LOX基因来提高果实品质研究的设想 对于I,OX基因水平的研究.有助于进一步r解IOX的生理作用.为有效地进行人工调 控奠定理论基础.目前.已从番茄.,兵豆:,黄瓜,豌豆',马铃薯:和大豆一":等多种作 物中克隆到了LOX基因.从番茄中克隆到了4种不同的LOX基因,基因的名称用代表 番茄的torft和代表脂肪氧合酶的fox所组成,并以A,B,c,D分别加以区分其中tomloxA和 tomloxB从果实中得到.而tomloxC和tomloxD从口1'片中得到,它们在不同的组织和不同的 发育阶段有不同的表达类型.研究发现.tomloxA在种子和成熟果实中表达;tomloxB只在果 实中表达;tomtoxC在成熟果实的转色期和红熟期检测到了存在,在叶片和花器中表达.但在 绿熟果实中无表达信号;tomloxD在叶片,萼片,花瓣和花的雄性器官中表达.可被伤害诱导. 在绿熟期和转色期果实中也有表达信号.tomloxB和romtoxC被认为是两种不同的番茄果实 成熟专一基因. 转基困技术,是利用生物技术手段.将外源基困转移到生物体中的一项技术,它是近年来 发展起来的研究基因作用和调控基因生理功能的有效手段将目的基因反向连接.构建反义基 因.然后转移到生物体中..抑制目的基因的表达这项技术应用得也越来越广泛.并且取得了 显着的效果,如年町用反义ACC合成酶基因抑制番茄乙烯的产生,得到了乙烯抑制率达07的 转基因番茄,并使果实的贮藏期在室温下达3个月,.反义LOX基困在兵豆上的转化获得了 成功..LOX活性的抑制率达到70,而基因的正义表达使LOX活性增加了的20. 果树科学6卷 7结语 IA)X在果蔬的成熟和衰老过程中起着非常重要的生理作用,是一类与成熟衰老有关的重 要的酶.LOX参与果蔬成熟衰老的机制可以概括为:(1)启动了细胞内膜系统的脂质过氧化, 导致了细胞膜透性的增加,加剧了细胞膜的降解(2)脂质过氧化的产物对酶,DNA等有活性 的生物大分子有毒害作用,导致了细胞功能的丧失.(3)LOX及其脂质过氧化的产物参与茉莉 酮酸,脱落酸和乙烯等的生物台成.促进了组织的衰老 随着分子生物技术,酶技术等在采后生理研究中的不断应用.LOX在果蔬成熟和 衰老过 程中的生理作用会了解得越来越深入.它将为研究果蔬成熟衰老机制及调控成熟 衰老进程提 供新的途径. 参考文献 1E海滨植物的脂肪氧台酶植物生理学通讯.199,22,:63,67 9HildebrandDFWhatis… inplan'phsiology.I.ig~xygenasesPhysio[ogiaPlantarum,1989.?6249,953 3FeussheyI,KindeHParBeulateandsoluble[ipoxygena~eisoenzymescomparionofmolec ularandenzynlaticproper:ies Plata.1994.194l2,2S 4Hatana_aAThebiogene,ationofgreenodourbyg…leaves.Pbytochemistry.1993.34【5)1201,12l8 5Jadh…SSingh13SalunkheDKMetoboIismofu… Lurated~attyacidsintom~lofruitlino[eicandCinoIenicacida precursorsofhexalPlantCeilPbsioll972.1…449459 6陈少格.膜脂过氧化对细胞的伤害植物生理学通讯,l99】.27c2):84,90 7沈仁扳.顾其敏生物化学教程北京高等教育出版杜.19帅46,48 8PaulsKP,rhompsonJE.E,'ideneefortheuccumtdadonofperoxidized!ipidslnmembraneso fsenescingcotv2~d】l1 PlatoPhysiol+【98.1.?j:1152,115 9Pe~ermanTKSiedow』 BehavioroJipoxygenaseduringes{ablishmen~,senescenceandrejuvenationofsov1)ean coB.1edonsPlan~Phsio1.1985,7869c,695 1l1曹锝清脂质过氧化对纽胞及机体的作用.生物化学与牛铆物理进 展.1986,217,23 1【吴有梅顾采琴.部根福,等ABA和己烯在草莓成熟衰老中的作用植铆生 理.1992.18(2J:【67,172 11HilebrandDF?RodriguezJG?BrownGc— elalPeroxidafiveresponasesofleavesmiwosoybeangenaozypesinjuredhy twospo~edspidermitesJEconELomo1.1986.791459,14B5 13HildebrandDFHamihonFR,I.eggCS.? alPlantlipoxygenasesm…….propertiesandpossible~unetiens CurremTgpiesplantBioehemPhsio1.1988.72Ol,219 l4秦f萍.彭友良脂氧旮酶的侵染诱导在植物抗病反应中的可能作用农业生物技 术,1995,3【4):3--9 l5MaguwireYP?HaardNFIsolationoflipofuscinlikeflurorencentproductsfromripeningb ananafruit. 』FoodSci 1976.41:551,554 l6MaguwircYP— HaardNFFluorescentproductaccumu!ationinripeningfruitNature.19,25859g,562 1MinguezMosqueraM1一Jare~GalanM— GanidoFernandezJLipoxygenaseactivityduringpepperripeningandDx ingofPaprzka.Phytochemlstry1993.161:1103,1108 18林桂芳,王伟,林桂珠等.采后荔枝果宴的类脂幅素和自由基水平的变化生物化 学和生物物理进展,1988.15c5):337 , 379 19Lu~ieSKleinj,BenHmR.Phsio(ogiea(changesmdipBer4aminetreated'GranySmith'ap ples.IsraelJ…::ai.{ t0…1989.38(4):199,207 10MareelleRDEthylenet~ormazion.IipnxygenaseandCalciumco~(entinappleAc1aHort ic1】.t…1989.258:5】,? 21ganoraR—OIoa~JM,MesiasJCPurificationandcharacterizationofto{T~toiipox. vgenasePhytochemistry,199,7:1lI: 期生吉萍等:果蔬成熟和衰老中的重要酶脂氧合酶 5j,398 22罗云波,脂肪氧台酶番茄秉后成熟的关系园艺,l994,!41357,360 23BimsqumIF,ThimannKVLipidperxiditionformsethylenefromACCandmayopcrale AcadSCiUSA.184,811724,1727 24单积修脂腑氧台酶对草莓苹果栗后成熟蠹老作用机制研究:[学位论文]北 京:~t-g,农业大学园艺系,1;9— 25R0utmayerMABureaJM.Lauriere(,Iden:ificati.nandcharacterizatlonofIipoxygenseisoforms……iicmgc~Yn3 tiunpataIsPlantPhysia],1992,98971一,978 26BhibataD.KateT.TanakaKNueleo~ide…… ofa,oybean1ipoxygenasegeneandtheshortlzttrgemeregionhe …enupstreRH/iipoxygenasegLncPIantMolecularBiology,190I?l6:353,359 27ToddJF.Pa[iyatI/(.FhompsonIECharameris:icsotamember~neRssociatedlipoxygenaseintofruitPlant Physiol,19c.94:1225,l232 28HeitzT.BergeyDR.RyanCAAgeneencoding~hlnroplast:arggeted[ipoxygenaseLnLO~IR%0leavesistransientlyin ducedbywounding,ystemin.andmelhyI1.nate.Plan1Physiol,1g97,1l:1C85,1o93 29KauschKD.HandaAKMoleculardoingandmulwaBdee… n(eofalipoxygenaseeDNAfromripeningto~latoffui:. 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