楊東東,朱紅菊,趙 永,劉文革
(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所 鄭州 450009)
瓜氨酸(Citrulline),又名氨基甲酰鳥氨酸,在植物中為精氨酸合成的前體物質(zhì)[1]。瓜氨酸在西瓜汁中首先被發(fā)現(xiàn),分子構(gòu)型為L(zhǎng) 型,故被稱為L(zhǎng)-瓜氨酸[2],在葫蘆科植物中廣泛存在[3-6]。一些其他植物如核桃[7]、蘑菇、莧菜和羽衣甘藍(lán)等[8]中也含有少量瓜氨酸。
蔬菜作物中,瓜氨酸不僅作為氮代謝途徑中重要物質(zhì),同時(shí)也作為重要的抗逆物質(zhì),在逆境脅迫條件下,維持作物的正常生長(zhǎng)[9-12],瓜氨酸下游物質(zhì)精氨酸的代謝產(chǎn)物多胺(PA)和一氧化氮(NO)等在植物抗逆方面也具有重要作用[13]。人體中,瓜氨酸能夠清除體內(nèi)的羥基,具有抗氧化、保護(hù)DNA、提高免疫力等作用[14]。同時(shí)瓜氨酸在治療男性功能障礙、精氨酸缺乏癥以及促進(jìn)人類肌肉運(yùn)動(dòng)和恢復(fù)等方面中也具有重要作用[15-19]。
目前,瓜氨酸可進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn),主要是由特殊的微生物菌株發(fā)酵生產(chǎn)[20]。雖然菌株發(fā)酵生產(chǎn)瓜氨酸產(chǎn)量高于植物生產(chǎn),且更加經(jīng)濟(jì),但蔬菜作物中除瓜氨酸以外還含有其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),相對(duì)于商業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)的瓜氨酸,蔬菜中瓜氨酸更天然且更易攝取。因此,研究分析蔬菜作物中瓜氨酸的合成積累機(jī)制及發(fā)掘調(diào)控瓜氨酸合成關(guān)鍵酶和酶基因具有重要意義。筆者對(duì)西瓜等蔬菜作物中瓜氨酸的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,提出目前蔬菜作物中瓜氨酸研究存在的問題并進(jìn)行了展望,旨在為蔬菜作物中瓜氨酸的深入研究提供參考。
瓜氨酸在蔬菜作物中廣泛存在,如西瓜[3]、栝蔞、南瓜、冬瓜、絲瓜、苦瓜[4]、甜瓜[5-6]、鷹嘴豆、洋蔥、蘑菇等[8]中均含有瓜氨酸。相較于其他蔬菜作物,在葫蘆科作物如西瓜[3]、甜瓜、南瓜、絲瓜、苦瓜等[4-6]的果實(shí)中被認(rèn)為含有大量的瓜氨酸,它們的其他器官如葉、根、莖、種子等[6]中也含有瓜氨酸,且瓜氨酸的含量具有組織特異性,不同組織含量存在顯著差異[6,21-22],這表明瓜類種或亞種形成及馴化過(guò)程中可能存在一些進(jìn)化保守的調(diào)控因子。不同葫蘆科植物果實(shí)中瓜氨酸含量存在顯著差異[6]。Davis 等[23]研究表明,西瓜果實(shí)鮮樣中瓜氨酸含量可達(dá)7.21 g?kg-1,而部分葫蘆科植物果實(shí)中瓜氨酸含量水平較低甚至不含有瓜氨酸,如黃瓜中瓜氨酸含量約為西瓜中的1/10[6],直頸黃南瓜中沒有檢測(cè)到瓜氨酸[24]。
相比較于其他葫蘆科作物,西瓜中的瓜氨酸含量最高[5,25-27]。不同品種的西瓜果實(shí)中瓜氨酸含量存在差異,且均受生態(tài)環(huán)境影響,受環(huán)境影響的程度也有差異[3,23,28]。西瓜中瓜氨酸含量與西瓜倍性和瓤色的關(guān)系一直被關(guān)注,Rimando 等[29]研究發(fā)現(xiàn),三倍體西瓜果實(shí)中瓜氨酸含量高于二倍體,黃、橙色瓜瓤的西瓜瓜氨酸含量高于紅瓤;李蒙蒙等[30]研究表明,西瓜瓜氨酸含量與果肉顏色有關(guān);萬(wàn)學(xué)閃等[27]研究表明,二倍體西瓜果實(shí)瓜氨酸含量為白瓤>黃瓤>紅瓤;劉文革等[31]研究發(fā)現(xiàn),不同倍性西瓜果實(shí)中瓜氨酸含量為三倍體>四倍體>二倍體。而Davis 等[32]研究表明,瓜氨酸含量與西瓜倍性不相關(guān),因?yàn)橥慈扼w與二倍體和其誘導(dǎo)的同源四倍體親本的瓜氨酸含量沒有顯著差異。但研究者均未進(jìn)一步針對(duì)不同倍性西瓜中瓜氨酸含量差異的深層機(jī)制進(jìn)行深入研究。綜上可以看出瓜氨酸含量與西瓜品種、倍性、瓤色、環(huán)境等存在著相關(guān)關(guān)系。
植物韌皮部運(yùn)輸是水分、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和其他光合產(chǎn)物長(zhǎng)距離分配的關(guān)鍵途徑,在植物發(fā)育過(guò)程中和惡劣環(huán)境下從源組織到庫(kù)組織的物質(zhì)運(yùn)輸中發(fā)揮作用[33]。許多研究結(jié)果表明,瓜氨酸可能參與韌皮部長(zhǎng)距離運(yùn)輸,如樺木[34]、核桃[35]、南瓜屬[36]和褐藻[37]等已被證明在韌皮部分泌物中運(yùn)輸大量瓜氨酸。甜瓜葉片的韌皮部汁液中在光周期的光照早期會(huì)積累大量瓜氨酸,在暗期瓜氨酸水平顯著下降[38],表明瓜氨酸可能通過(guò)韌皮部從源運(yùn)輸?shù)綆?kù);Joshi 等[39]也發(fā)現(xiàn),瓜氨酸可能在西瓜其他器官合成并通過(guò)維管系統(tǒng)長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)焦麑?shí)。一些參與瓜氨酸代謝的基因表達(dá)的研究也表明,瓜氨酸可能參與蔬菜作物韌皮部長(zhǎng)距離運(yùn)輸。如西瓜韌皮液中乙酰鳥氨酸脫乙?;富颍–la016179)的表達(dá)量比維管組織中高約35 倍,且乙酰鳥氨酸去乙酰化酶基因(Cla016181)在伴胞中也有表達(dá)[40],瓜氨酸合成酶OTC(鳥氨酸氨甲酰轉(zhuǎn)移酶)和(氨甲酰磷酸合成酶)CPS(大亞基:Cla005591和小亞基:Cla022915)基因在果實(shí)維管、果肉和果皮組織發(fā)育中均有表達(dá),且在果皮和果肉的整個(gè)發(fā)育過(guò)程中,OTC 基因表達(dá)穩(wěn)定,而精氨酸琥珀酸酶基因(Cla022154)和精氨酸琥珀酸合酶基因(Cla019267,Cla002609)的表達(dá)下調(diào),瓜氨酸水平升高,且分解代謝酶基因的下調(diào)主要發(fā)生在果肉組織中[40];其他研究表明,果實(shí)發(fā)育過(guò)程中,果肉中參與瓜氨酸分解代謝的精氨酸琥珀酸裂解酶基因(Cla022154)和精氨酸琥珀酸合酶基因(Cla002609,Cla019267)下調(diào),相應(yīng)果皮中瓜氨酸含量增高,而參與瓜氨酸合成的N-乙酰鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶基因(Cla015337)和N-乙酰谷氨酸合成酶基因(Cla014036)在果實(shí)發(fā)育過(guò)程中僅在果皮組織中逐步上調(diào)[41-42]。綜上表明,西瓜等蔬菜作物果實(shí)中瓜氨酸含量的積累可能是瓜氨酸在葉片、果皮等部位合成并在果實(shí)成熟過(guò)程中由韌皮部維管轉(zhuǎn)入果肉中,在多種參與瓜氨酸合成和分解酶的協(xié)同調(diào)節(jié)下維持一定的濃度。
氨基酸通過(guò)韌皮部和木質(zhì)部的長(zhǎng)距離運(yùn)輸由膜結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的裝載和卸載活動(dòng)介導(dǎo)[43]。氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(AAT)在高等植物中介導(dǎo)氨基酸跨細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)、長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)以及植物對(duì)生物和非生物脅迫的反應(yīng)[44]。擬南芥中轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AAP3 和AAP5 在堿性氨基酸如精氨酸的高效轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮作用[45],其中AAP5 的調(diào)控基因(At1g44100)在許多組織中表達(dá),介導(dǎo)根中堿性氨基酸的吸收[39,43],而AAP3 的調(diào)控基因(At1G77380)主要在根和韌皮部中表達(dá),可能促進(jìn)韌皮部的裝載[46]。瓜氨酸也屬于堿性氨基酸[47],可能由這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到植物體各個(gè)部位。目前還沒有針對(duì)蔬菜作物中AAP3和AAP5基因開展研究工作。
擬南芥L-鳥氨酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白/線粒體載體家族蛋白BAC1(AT2G33820)和BAC2(AT1G79900)可轉(zhuǎn)運(yùn)堿性和中性氨基酸,其中BAC2 顯示出L-瓜氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)的特異性[48],且BAC1和BAC2在大多數(shù)器官中組成型表達(dá),在花朵和果實(shí)中也有較高的表達(dá)[49]。在與擬南芥BAC2基因具有高度同源性的兩個(gè)西瓜基因中,BAC2-like基因Cla012675在韌皮部特異性表達(dá),其轉(zhuǎn)錄僅在果皮組織,而Cla015439的表達(dá)相對(duì)較低,僅存在果肉和果皮組織[39],這些基因的差異表達(dá)表明,它們可能在西瓜中參與瓜氨酸轉(zhuǎn)運(yùn),這與擬南芥BAC2基因在脅迫和衰老過(guò)程中被誘導(dǎo)的結(jié)果一致[50]。在藥西瓜干旱脅迫的葉片[51]和栽培西瓜的根[52]中的研究表明,Cla012675基因?qū)习彼峋哂懈叨忍禺愋?,可能在非生物脅迫或衰老期間的蔬菜作物根部或葉子中轉(zhuǎn)運(yùn)瓜氨酸。目前尚無(wú)西瓜中BAC1 和BAC2 直系同源物亞細(xì)胞水平的研究。但有研究表明,瓜氨酸在質(zhì)體中合成,預(yù)測(cè)質(zhì)體膜上的蛋白質(zhì)具有輸出瓜氨酸的能力[39]。綜上表明,對(duì)瓜氨酸的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)行研究非常重要,目前蔬菜中轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在瓜氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)中的作用、底物特異性、組織特異性和發(fā)育調(diào)節(jié)以及亞細(xì)胞定位尚不清楚。但對(duì)瓜氨酸生物合成和分解代謝相關(guān)的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物進(jìn)行研究可能是尋找蔬菜作物候選瓜氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的一種有效方式。
部分氨基酸滲透酶在瓜氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮重要作用,如來(lái)自蓖麻子的氨基酸滲透酶基因(RcAAP3)已被克隆[53],其特異性介導(dǎo)酵母轉(zhuǎn)運(yùn)突變體中瓜氨酸的攝取,對(duì)瓜氨酸具有高親和力;水稻AAPs 家族中OsAAP1 和OsAAP3 運(yùn)輸中性和帶正電形式的堿性氨基酸,包括精氨酸和瓜氨酸[46],與精氨酸相比,OsAAP1 對(duì)瓜氨酸表現(xiàn)出更高的親和力,可能在瓜氨酸的運(yùn)輸中發(fā)揮作用,亞細(xì)胞定位表明,洋蔥和擬南芥中OsAAP1 和OsAAP3 定位于質(zhì)膜,在洋蔥表皮細(xì)胞或在擬南芥中穩(wěn)定表達(dá)[46];西瓜基因組中發(fā)現(xiàn)了2 個(gè)擬南芥AAP3/5-like 序列的直系同源物,西瓜氨基酸通透酶基因(Cla023187和Cla013912)與擬南芥氨基酸滲透酶具有88%的同源性,與蓖麻的AAP3 具有80%的同源性,與水稻AAP1 具有60%的同源性[39],對(duì)瓜氨酸具有高親和力;前人研究發(fā)現(xiàn),在西瓜成熟期間,氨基酸通透酶基因Cla023187和Cla013912在果肉和果皮組織中顯著持續(xù)下調(diào),這2 種酶基因還可能選擇性地允許瓜氨酸在葉片和根部積累,因?yàn)樗鼈冊(cè)谝吧鞴细珊得{迫的葉片[51]和栽培西瓜干旱脅迫的根[52]中顯著上調(diào)。綜上所述,蔬菜作物中瓜氨酸可能受到瓜氨酸特異性氨基酸滲透酶的調(diào)節(jié)。
植物中有機(jī)氮的運(yùn)輸主要是通過(guò)氨基酸形式,富含氮的精氨酸和瓜氨酸可能是內(nèi)源性氮儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)闹匾糠諿54],可作為主要可溶性氮產(chǎn)物、木質(zhì)部汁液中固氮含量的主要產(chǎn)物[55-57],瓜氨酸能改變木質(zhì)部汁液中的氮營(yíng)養(yǎng)、根瘤活性和含氮化合物的轉(zhuǎn)運(yùn)水平[58],在氮供應(yīng)中斷脅迫[59]以及外界補(bǔ)充氮含量的條件下參與內(nèi)部氮素貯存中發(fā)揮重要作用[60-64]。在蔬菜作物如葫蘆科物種中,瓜氨酸是有機(jī)氮含量的主要載體[65],在黃瓜開花期間,葉片和子房中檢測(cè)到約占總氨基酸含量1/3 的瓜氨酸,并通過(guò)木質(zhì)部移動(dòng)[66]。前人研究發(fā)現(xiàn),愛爾蘭苔蘚內(nèi)存在高濃度瓜氨酸-精氨酸二肽,以補(bǔ)充硝酸鹽或氨,占氮儲(chǔ)備的一半[67],但在蔬菜作物中,瓜氨酸大多以游離形式單獨(dú)存在,目前在蔬菜作物中還未發(fā)現(xiàn)瓜氨酸與其他氨基酸結(jié)合存在。綜上所述,瓜氨酸在蔬菜作物氮代謝過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用,但是具體作用機(jī)制尚不清楚。
瓜氨酸是鳥氨酸循環(huán)的重要組成成分、精氨酸合成的前體物質(zhì)和一氧化氮循環(huán)的中間體。瓜氨酸的合成與精氨酸緊密聯(lián)系。瓜氨酸合成途徑在動(dòng)物[68]、真菌[69]、原核生物[70]以及模式植物擬南芥[39,71]中研究較多,目前在一些特殊工程菌中瓜氨酸的代謝通路以及調(diào)控機(jī)制已經(jīng)研究得非常清晰并且已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)[72],而在植物中的研究還不夠清晰。
植物中,瓜氨酸的合成途徑主要分為兩個(gè)過(guò)程,第一個(gè)過(guò)程是谷氨酸通過(guò)循環(huán)途徑或線性途徑生成鳥氨酸;第二個(gè)過(guò)程是鳥氨酸生成瓜氨酸以及鳥氨酸的再生(圖1),又叫“鳥氨酸循環(huán)”[73]。其中谷氨酸到N-乙酰鳥氨酸和乙酰基的生成被稱為“鳥氨酸合成途徑”,此合成途徑在植物中高度保守[74]。
圖1 植物中瓜氨酸合成代謝途徑[39]
瓜氨酸在植物中積累代謝調(diào)控酶以及酶相關(guān)基因的克隆和功能鑒定的研究主要集中在模式植物擬南芥上[71,73,75]。除擬南芥外,對(duì)西瓜[40]、番茄[48]、水稻[76]等作物的瓜氨酸合成途徑相關(guān)基因也有一定的研究。一些植物中瓜氨酸合成途徑中的部分調(diào)控基因目前也已被克隆,一些基因的功能也已經(jīng)得到初步的認(rèn)證(表1)。
表1 擬南芥與蔬菜作物中部分已鑒定的瓜氨酸合成相關(guān)基因及其功能
N-乙酰谷氨酸合成酶(NAGS)受精氨酸反饋調(diào)節(jié),活性被高濃度的精氨酸抑制而被低濃度精氨酸激活[77-78],番茄中SINAGSI基因蛋白與擬南芥中兩個(gè)猜測(cè)的NAGS 蛋白NAGS1 和NAGS2 有較高的相似性,其表達(dá)具有組織特異性[77],主要位于葉綠體中,超表達(dá)SINAGSI,擬南芥中瓜氨酸和野生型相比含量升高,對(duì)干旱和鹽脅迫忍受能力也有提高[79];N-乙酰谷氨酸激酶(NAGK)是一種質(zhì)體定位蛋白,位于擬南芥的葉綠體中[80-81],是瓜氨酸合成途徑的關(guān)鍵酶和限速酶,活性可被高濃度精氨酸抑制[82],這個(gè)過(guò)程是通過(guò)調(diào)節(jié)PII 蛋白與NAGK 的相互作用實(shí)現(xiàn)的[83-84],此外NAGK 也可以被N-乙酰谷氨酸激活[85];鳥氨酸氨甲酰轉(zhuǎn)移酶(OTC)[86]被證實(shí)在許多植物中存在[87-90],多位于植物葉綠體[91]和線粒體中,有些也位于細(xì)胞質(zhì)中[92],是瓜氨酸合成途徑的關(guān)鍵酶[93],OTC 的活性是可逆的,擬南芥中OTC基因(At1g75330)在所有部位都有表達(dá)[85],OTC 插入突變導(dǎo)致突變植物對(duì)外源提供的鳥氨酸高度敏感,而對(duì)瓜氨酸不敏感[94]。在西瓜基因組有一個(gè)OTC-like基因(Cla020781),相應(yīng)的預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)序列與之前報(bào)道的OTCases 高度同源;N-乙酰谷氨酸-5-磷酸還原酶(NAGPR)研究的較少[95-96],擬南芥中NAGPR 由單基因At2g19940編碼;N-乙酰鳥氨酸谷氨酸轉(zhuǎn)移酶(GAT)是葉綠體酶,具有較高的熱穩(wěn)定性和不敏感性,在高濃度的精氨酸和瓜氨酸的條件下不會(huì)被反饋抑制;N-乙酰鳥氨酸轉(zhuǎn)移酶(NAOAT)主要于葉綠體中,與根系表型有關(guān),擬南芥中NAOAT 由TUMOR PRONE編碼,TUMOR PRONE隱性突變材料中精氨酸顯著減少,表現(xiàn)出短根現(xiàn)象,這種現(xiàn)象可通過(guò)補(bǔ)充精氨酸和其前體物質(zhì)恢復(fù)[97];水稻中精氨酸琥珀酸裂解酶(ASL)基因(OsASLI)表達(dá)具有組織特異性,OsASLI有2 個(gè)可變剪接的轉(zhuǎn)錄本OsASL1.1和OsASL1.2,OsASL1.1在整個(gè)生長(zhǎng)季大多數(shù)器官中都有表達(dá),而OsASL1.2僅僅只在根中表達(dá)[76],ASL基因突變,可能導(dǎo)致精氨酸的含量減少,進(jìn)而使水稻表現(xiàn)出短根現(xiàn) 象[76,97];NAOD 調(diào) 節(jié) 植 物 細(xì) 胞 中 鳥 氨 酸 的 含量[98],并通過(guò)多胺合成調(diào)控碳氮平衡,在植物開花和坐果過(guò)程中發(fā)揮作用;N-乙酰谷氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶(NAOGAcT)最初被認(rèn)為和NAOD 相同,但擬南芥中,在沒有功能性NAOD 的情況下,鳥氨酸積累的減少不能通過(guò)NAOGAcT 活性得到補(bǔ)償[98],表明NAOGAcT 功能可能次于NAOD;精氨酸酶(Arginase)活性在擬南芥[99]和其他一些植物[100]幼苗發(fā)育過(guò)程中急劇增加,擬南芥中Arginase 活性急劇增加主要是ARGAH2在起作用[101],擬南芥中ARGAH2的過(guò)表達(dá)會(huì)導(dǎo)致精氨酸和鳥氨酸的含量降低[102];精氨酸琥珀酸合酶(ASS)和精氨酸琥珀酸裂解酶(ASL)的亞細(xì)胞定位因植物類型而異[103],一般定位于質(zhì)體、細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核[73,97,103-107],精氨酸琥珀酸合酶(ASS)和精氨酸甘氨酸裂解酶(ASL)基因突變植物與野生型植物相比,精氨酸顯著減少[108];動(dòng)物中NOS 將精氨酸轉(zhuǎn)化為NO 和瓜氨酸[109],植物中精氨酸依賴性NOS 也促進(jìn)NO 產(chǎn)生[101,110],僅少量研究表明可能同時(shí)產(chǎn)生瓜氨酸[63]。
逆境脅迫條件下,蔬菜作物對(duì)瓜氨酸的含量進(jìn)行調(diào)節(jié),維持正常生長(zhǎng)[28]。在植株受到干旱等脅迫時(shí),西瓜和一些瓜類植物葉片中瓜氨酸會(huì)在一些酶如(N-乙酰谷氨酸轉(zhuǎn)移酶)GAT 的參與下大量積累[10-12,111-112],維持水分狀態(tài)[9],清除體內(nèi)多余的自由基,抵御逆境的傷害[10];外施瓜氨酸能夠提高受脅迫種子的活性,促進(jìn)種子萌發(fā)[113];西瓜中谷氨酰胺?;D(zhuǎn)移酶基因在干旱脅迫下會(huì)上調(diào)[114];用抗病性南瓜砧木嫁接西瓜,嫁接苗果實(shí)的瓜氨酸含量高于自根苗,且瓜氨酸含量維持時(shí)間更長(zhǎng)[3,115-116]。干旱脅迫和低溫處理會(huì)誘導(dǎo)瓜氨酸在甜瓜葉片和韌皮部汁液中積累,而其他氨基酸相對(duì)沒有變化[65];黃瓜中西瓜同源基因CsNOA1的直系同源物已被證明在低溫脅迫中發(fā)揮作用[117],但尚未對(duì)其與瓜氨酸的關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證;Cao 等[118]驗(yàn)證表明,ABA 和瓜氨酸之間具有強(qiáng)相關(guān)性。對(duì)非葫蘆科植物物種的幾項(xiàng)研究揭示了在干旱或鹽脅迫下參與瓜氨酸生物合成的基因顯著富集,如番茄[119]、水稻[120],野生小麥[121]、鷹嘴豆[122]和過(guò)表達(dá)DOF(DNA binding with one finger)轉(zhuǎn)錄因子的擬南芥[123]。
光呼吸是植物有效利用氮的必要過(guò)程,光呼吸受阻,氮同化受抑制[124]。擬南芥中瓜氨酸含量與光呼吸酶GGAT 活性密切相關(guān),GGAT 基因過(guò)表達(dá)會(huì)選擇性地誘導(dǎo)瓜氨酸含量積累[64];擬南芥GLU1 突變體中高水平的光呼吸銨部分轉(zhuǎn)移到CPS 介導(dǎo)的途徑,導(dǎo)致精氨酸通過(guò)瓜氨酸代謝大量積累[125];線粒體甘氨酸脫羧酶復(fù)合物(GDC)釋放的光呼吸銨通過(guò)線粒體中的CPS 重新同化為谷氨酰胺合成酶和氨基甲酰磷酸(CP)[54],這2 種酶都參與瓜氨酸合成,瓜氨酸合成的調(diào)節(jié)被認(rèn)為是在CPS 的水平上[126],擬南芥ven3和ven6網(wǎng)狀突變體葉片中鳥氨酸和N-乙酰-L-鳥氨酸的累積量增加,瓜氨酸含量水平降低[127],這些代謝變化表明,CPS 在提供CP 底物參與瓜氨酸合成和瓜氨酸在植物光呼吸中發(fā)揮作用;在缺乏質(zhì)體谷氨酰胺合成酶的蓮屬植物中,CP 水平?jīng)]有變化,當(dāng)植株光呼吸活躍時(shí),野生基因型的CP 水平顯著提高[128]。但蔬菜作物中還未見相關(guān)研究。
植物在脅迫條件下電子傳遞鏈會(huì)被破壞,活性氧(ROS)積累,造成細(xì)胞損傷。植物能夠利用酶促和非酶促抗氧化劑來(lái)清除ROS,其中氨基酸、糖醇和叔胺等滲透物是強(qiáng)大的抗氧化劑,能增強(qiáng)植物對(duì)脅迫的耐受性[129]。瓜氨酸被認(rèn)為是比甘露醇、脯氨酸和甘氨酸甜菜堿更有效的羥基自由基清除劑[10],保護(hù)綠色組織免受氧化應(yīng)激[130]。野生西瓜干旱脅迫葉片中參與瓜氨酸含量生物合成基因上調(diào),參與瓜氨酸含量分解代謝的基因下調(diào)[51]。綜上表明,瓜氨酸在逆境脅迫下發(fā)揮重要作用,能作為蔬菜作物耐逆境脅迫的代謝標(biāo)志物加以應(yīng)用。
隨著人們對(duì)飲食健康的關(guān)注,天然植物瓜氨酸的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值被逐漸重視起來(lái)。同時(shí)瓜氨酸在蔬菜作物抗逆[28]以及氮代謝[65]中也發(fā)揮了重要作用,如參與氮營(yíng)養(yǎng)長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)[36]、脅迫期間維持細(xì)胞滲透壓[9]、作為光呼吸NH4+的清除劑[125]等,表明瓜氨酸可以作為研究蔬菜作物脅迫耐受性的有效標(biāo)志物。蔬菜作物中瓜氨酸含量的穩(wěn)定可能是分解代謝減少、生物合成增加[40-42]、長(zhǎng)距離運(yùn)輸[36]、跨果皮和果肉組織分配[41-42]的綜合結(jié)果。目前人們對(duì)蔬菜作物中瓜氨酸的合成代謝已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)[73],但許多參與瓜氨酸合成代謝的酶尚未進(jìn)行功能驗(yàn)證,瓜氨酸通過(guò)維管系統(tǒng)調(diào)節(jié)或轉(zhuǎn)運(yùn)的完整模型尚未建立,對(duì)瓜氨酸細(xì)胞間/內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)和植物生理作用調(diào)節(jié)的生化和分子機(jī)制還不夠清晰,一些調(diào)控基因、轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控瓜氨酸的合成過(guò)程中的地位、具體途徑也尚不清楚。
目前許多園藝作物的基因組、轉(zhuǎn)錄組及代謝組等相關(guān)數(shù)據(jù)正逐漸完善[131-133],瓜氨酸合成途徑中相關(guān)的基因和酶也逐漸被廣泛研究[40,48,71],一些酶類的亞細(xì)胞定位以及相關(guān)基因的分離和鑒定技術(shù)逐漸成熟。未來(lái)可以將重點(diǎn)放在瓜氨酸或鳥氨酸特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的研究上,有助于對(duì)蔬菜中瓜氨酸動(dòng)態(tài)合成和運(yùn)輸?shù)睦斫?。識(shí)別更多潛在的瓜氨酸調(diào)控酶,獲得瓜氨酸亞細(xì)胞和長(zhǎng)距離分配的精準(zhǔn)定位也尤為重要。在蔬菜發(fā)育過(guò)程中不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和環(huán)境脅迫下進(jìn)行全植物代謝分析,并結(jié)合它們的組織特異性和亞細(xì)胞定位實(shí)驗(yàn),發(fā)掘游離瓜氨酸的合成、同化、運(yùn)輸和積累位點(diǎn),對(duì)瓜氨酸代謝和運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)步驟及分子機(jī)制進(jìn)行更好的定性。同時(shí)可以對(duì)蔬菜作物體內(nèi)調(diào)節(jié)瓜氨酸合成代謝的酶及其調(diào)控基因以及關(guān)于瓜氨酸的信號(hào)傳導(dǎo)等進(jìn)行深入研究。西瓜的果實(shí)中含有大量的瓜氨酸[6],作為一種鮮食水果,人們更容易從中攝取到天然優(yōu)質(zhì)的瓜氨酸營(yíng)養(yǎng)。同時(shí)西瓜是一個(gè)很具代表性的模型系統(tǒng),具有可利用的遺傳作圖資源[134]、新一代測(cè)序數(shù)據(jù)、廣泛的自然遺傳多樣性以及基因組信息數(shù)據(jù)庫(kù)[133],這種全面的數(shù)據(jù)集可以幫助研究者提高對(duì)瓜氨酸動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的理解。對(duì)西瓜群體進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)將有助于挖掘與瓜氨酸代謝相關(guān)的新基因或有利等位基因,從而有效提高作物中瓜氨酸的含量和穩(wěn)定性,為培育高瓜氨酸含量的西瓜新品種提供理論依據(jù),為人類營(yíng)養(yǎng)和健康作出貢獻(xiàn)。