【甜菜碱和碱合成酶】
拼译：betaine and betaine synthase
甜菜碱是一种非毒性的渗透调节保护剂。一些植物和其他生物在受到盐碱胁迫和水分亏缺时积累大量甜菜碱，使细胞在低渗透势环境条件下得以继续进行正常的代谢。甜菜碱生物合成的调节控制及其相应的遗传操作研究对认识植物渗透调节机理和培育高抗盐碱和干旱作物品种有重要意义。
甜菜碱为一类季铵化合物，通式为(R4．N．X)。最简单也是最早被发现和研究最多的是甘氨酸甜菜碱，通常简称甜菜碱［(CH3)3N+CH2COO－］。1863年，乌西曼(A．Husemann)等从灌木中宁枸杞首先分离得到甜菜碱；现已在28科178种的植物以及在动物、真菌、海藻和细菌中发现有甜菜碱。1975年，史托利(R．Storey)等首先看到，干旱和盐碱胁迫引起植物甜菜碱积累，以后在许多植物中发现同样现象，表明甜菜碱积累与渗透调节有关。1977年，维琼斯(R．G．Wyn Jones)等提出溶质相互隔离假说，即液泡积累无机盐，主要是K+，胞质积累有机渗透调节物质，使胞质维持与内(液泡)外环境渗透平衡，又能避免胞质高浓度的无机离子对酶和代谢的毒害作用。在诸多的代谢物中，最合适的有机渗透调节剂就是甜菜碱，它的溶解度很高(160g／100ml水，25℃)，不带净电荷，高浓度对许多酶和代谢过程没有影响或有保护作用，能显著减少高盐和低水势对细胞的有害作用，在体内能迅速合成和积累到很高浓度(100μmol／g鲜重)而起渗透调节作用。在研究过的150多种代谢物中，甜菜碱是最好的渗透调节剂。1986年鲁宾森(S．P．Robinson)等和1990年阿拉卡瓦(K．Arakawa)等证明，菠菜、大麦受渗透胁迫时，甜菜碱含量增加6～7倍，催化其合成的甜菜碱醛脱氢酶活性增强3倍。合成的甜菜碱30%～40%定位于叶绿体，其浓度可达300mmol／L，为叶片浓度的20倍。这是溶质分隔假设最有力的证据。植物受盐碱和水分胁迫积累甜菜碱是一种生理适应功能，盐碱胁迫的影响比水分胁迫更大。高等植物如大麦受胁迫时，甜菜碱在成熟叶片合成，然后运输到幼叶、芽和根。合成的甜菜碱代谢很慢，因此其含量主要由合成来调节。这与脯氨酸(另一种有机渗透调节剂)极不相同。在脯氨酸，胁迫解除后，其含量随即降低。1985年，卡尔纳(I．Cairney)等首先发现微生物有两个甜菜碱运输系统，称为ProP和ProU。植物可能也有类似的运输系统，不过研究工作远没有微生物的研究工作深入。1970年，波曼(M．S．Bowman)等，1978年汉森(A．D．Hanson)等用放射性同位素试验证明高等植物和其它生物一样，甜菜碱由胆碱经两步酶催化反应合成，
。1975年汉森等认为，合成的场所在叶绿体，两步合成反应可以分开进行。催化前一步骤的胆碱氧化酶是一种单加氧酶，受光刺激和对二氯苯基二甲脲(DCMU)敏感，反应依赖氧和来自光合系统I(PSI)的还原能力。1993年贝纳特(M．Bumaet)等部分纯化了高等植物的胆碱单氧合酶，分子量为98000，还原能力由铁氧还蛋百提供。动物的胆碱是被定位于线粒体内膜的黄素蛋白脱氢酶氧化，其分子量为74000。在一些微生物，胆碱为膜结合的黄素蛋白脱氢酶氧化，其分子量还不清楚；在另一些微生物，则为黄素蛋白胆碱氧化酶氧化，其分子量为120000～140000，由两个分子量为66000～72000的亚单位组成。此酶为双功能酶，能同时催化甜菜碱醛氧化成甜菜碱。催化后一步骤的是甜菜碱醛脱氢酶。1981年潘(S．M．Pan)首先从菠菜叶片分离得到甜菜碱醛脱氢酶，认为该酶定位于胞液；1986年维格尔(P．Weigel)等认为定位于叶绿体，胞液中有一个同工酶。1987年阿拉卡瓦等、1989年维尔特尔涅尔(E．A．Weretilnyk)等和1993年梁峥等分别从菠菜纯化出甜菜碱醛脱氢酶和制备出了该酶的抗血清。菠菜的甜菜碱醛脱氢酶的分子量为120000左右，由两个亚单位组成，亚单位分子量为60000～63000。该酶的等电点为5．7，最适H+浓度在3．16×10－10mol／L左右，对其底物甜菜碱醛非常专一，其Km为2．08×10－4mol／L，对电子受体NAD的Km为0．38mmol／L。一些微生物的胆碱氧化酶同时具有氧化甜菜碱醛的能力，不过对甜菜碱醛的Km(5．8mmol／L)比对胆碱的Km(1．3mmol／L)高4倍。在动物，胆碱的氧化定位于线粒体，第一酶为胆碱脱氢酶，与内膜相结合，而甜菜碱醛脱氢酶则定位于线粒体基质，已部分纯化。甜菜碱合成酶的这些差异表明演化上植物的胆碱氧化与其他生物不同。甜菜碱在一些植物和微生物的渗透调节中起中心作用，合成途径非常简单，进行分子遗传操作非常方便，甜菜碱合成酶基因可能是最重要和最有希望的胁迫抗性基因之一。1988年维尔特尔涅卡等认为，波菜甜菜碱醛脱氢酶由一个核基因编码，并于1991年首先获得编码菠菜甜菜碱醛脱氢酶的cDNA克隆，长1812bp，其开放阅读框架1491bp；1992年麦古(K．F．Mecue)等从甜菜克隆了甜菜碱醛脱氢酶的cDNA，长1．7kb，含编码500个氨基酸的开放阅读框架，其中83%的氨基酸与菠菜酶的相同。1988年，安德逊(P．A．Andresen)等鉴定了大肠杆菌的胆碱脱氢酶、甜菜碱醛脱氢和胆碱运输系统基因，分别命名为betA、betBT和betT。菠菜甜菜碱醛脱氢酶的cDNA基因将被引入模式植物和没有甜菜碱积累或甜菜碱合成很弱的重要农作物，如水稻、玉米等研究其表达的调节控制，该酶的结构基因克隆将进行。胆碱氧化酶的纯化及性质将全面阐明并获得转基因作物。随着甜菜碱合成酶基因表达与调控研究进展，高抗盐抗旱作物品种将会培育成功，同时在分子水平和基因水平阐明植物渗透调节机理是一个十分诱人的研究领域。【参考文献】：1 Wyn Jones G R, R Storey. The Physiology and Biochemistry of Dought Resistance in Plants, New York: Academic Press, 1981.174-2042 Pan S M, R A Moreau, C Yu, et al. Plant Physiol, 1981,(中国科学院植物研究所梁峥研究员撰；刘存德审)