摘　要：芥子酶防御系统为白花菜目植物特有，由芥子酶及其底物硫代葡萄糖苷组成，芥子酶和硫代葡糖苷分别储藏在不同的细胞中，在受到病虫侵袭时，底物和酶相遇，硫代葡糖苷被降为有毒化合物，起防御作用，对植物芥子酶防御系统研究进展进行了综述，包括基因家族的结构、基因的表达调控、芥子酶的细胞定位、植物以外其它生物的芥子酶、硫代葡糖苷／芥子酶系统起源进化以及其可能功能等。
　　关键词：芥子酶；硫代葡糖苷；防御；起源进化；细胞定位
　　中图分类号：Q55　文献标识码：A　文章编号：1007-7847(2007)03-0189-06
　　
　　1　硫代葡糖苷／芥子酶防御系统简介
　　
　　十字花科植物分布很广，一般来说，它们在生物界具有一定生存和扩张的优势，这种优势得益于其独特的硫代葡糖苷／芥子酶体系，芥子酶和硫代葡糖苷分别储藏在不同的细胞中，在必要时，如机械损伤时，底物和酶相遇，硫代葡糖苷被降解为有毒化合物，抵御病虫侵袭，这就是人们所说的“芥子炸弹”，然而，有些害虫(专性昆虫)通过协同进化，已克服了硫代葡糖苷降解产物的毒性，因此，硫代葡糖苷／芥子酶体系的防御功能主要针对兼性昆虫。
　　硫代葡糖苷一方面是十字花科植物的防御工具，另一方面，又对菜籽油的品质和菜籽饼蛋白质的利用有不利影响，如何培育植株高硫而种子低硫的品种引起了油菜育种家的高度重视，硫代葡糖苷的种类很多，已鉴定结构的超过100种，它们的差别在于R-基团的不同，与生氰葡糖苷类似，硫代葡糖苷的侧链也来自氨基酸，芥子酶是专一降解硫代葡糖苷的酶，甘蓝型油菜大约有20～25个这样的基因，目前还不清楚是否存在不同基因编码的酶对底物有不同的要求，但有证据显示，拟南芥的TGG1和TGG2的功能是冗余的。
　　根据油菜(B.napus)和拟南芥芥子酶eDNA推断，芥子酶单体的分子质量为59kD左右，然而，所有植物芥子酶都不同程度糖基化，使芥子酶单体分子质量达到65～75kD，在植物体内，芥子酶一般以二聚体形式存在，分子质量在135～150kD之间，芥子酶的二维结构已得到阐明，它折叠为(α/β)。桶状，与得到详细研究的、来自Trifolium repens的生氰葡糖苷酶的结构非常相似，一般认为，芥子酶起源于生氰葡糖苷酶(eyanogenie glucosidase)，芥子酶(S-β-葡糖苷酶)的一级结构与O-β-葡糖苷酶的一级结构有很高的同源性，尽管还有一些不同意见，一般认为，区别S-β-葡糖苷酶和O-β-葡糖苷酶的有效方法是看该多肽在187位(以S.alba结晶芥子酶为参照)是谷氨酸还是谷氨酰氨，到目前为止，所有芥子酶都是谷氨酰胺残基，而O-β-葡糖苷酶都是谷氨酸残基，谷氨酸残基(酸性氨基酸)是O-β-葡糖苷酶活性中心的重要组成部分，是硫代葡糖苷降解时的质子供体，在芥子酶中，这一位置被谷氨酰胺取代后，酶活性需要低浓度的抗坏血酸来激活，以抗坏血酸作为质子供体，这一变化可能增加了植物对酶的作用的时空调控的机制，对芥子酶的晶体结构分析结果表明，抗坏血酸位于芥子酶的活性中心，可能代替。O-β-葡糖苷酶活性中心谷氨酸残基的酸性基团的作用，然而，当抗坏血酸浓度较高时，反而抑制芥子酶的活性，芥子酶具有较好的热稳定，纯化的酶在4℃保存几个月，酶活性降低很少，有些芥子酶在植物体内还与其它蛋白质结合形成复杂的结构，这些蛋白质包括MBPs(myrosinase-binding proteins)，MyAPs(myrosinase-associated proteins)等，MBP与芥子酶二聚体的形成有关，通过反义RNA技术阻断MBP的合成，所提取的芥子酶主要以单体的形式存在。
　　
　　2　芥子酶基因的表达调控
　　
　　拟南芥曾经被认为仅有3个芥子酶基因即TGGl、TGG2、TGG3，其中，TGG3是不能编码完整芥子酶的假基因，RT-PCR研究结果表明TGGl和TGG2在叶片、子叶、茎、和花器中表达，这一结果也与Xue等人的原位杂交结果，Chad-ehawan等人的Northern blot结果一致，TGG3尽管是假基因，它却在雄蕾和花辦特异表达，但是，在拟南芥的种子和根中，却检测不到芥子酶基因的表达，难以理解的是，在拟南芥的种子和根中，有较多的硫代葡糖苷，于是，人们推测，拟南芥可能还有新的芥子酶基因，2001年，德国的一个研究小组自称发现了一个新的芥子酶基因Pyk10，该基因正好在根部特异表达，然而，由于他们没有酶活性实验证据，且该基因编码的蛋白质与O-β-葡糖苷酶更相近，在187位(以S.alba结晶芥子酶为参照)是谷氨酸而不是谷氨酰氨，因此，Pyk10更可能是O-β-葡糖苷酶，近年，通过对拟南芥基因组数据库的搜索，又发现3个核基因，分别命名为了GG4、TGG5、TGG6(Zhang等，待发表)，它们的某些片段的编码产物与芥子酶相似，进一步与芥子酶的cDNA序列比对，找到了它们的大部分编码序列，用RT-PCR和RACE的方法克隆到TGG4、TGG5的全长cDNA，在酵母中表达的TGG4和TGG5重组蛋白具有很强芥子酶活性，而TGG6与TGG3类似，在编码区有移码突变，不能编码完整多肽，这一新家族的基因在DNA序列、基因结构及编码蛋白特性等方面与已知的芥子酶基因有较大差异，乃至以往用已知芥子酶基因的同源序列为探针进行Southern杂交不能检测到它们的存在，用芥子酶通用的抗体进行Western blotting及免疫组织化学研究也不能发现它们的存在，RT-PCR和Real-time PCR研究结果表明，TGG4和TGG5基因仅在拟南芥根部特异表达，在植物其它部位均不表达，而TGGl和TGG2的表达部位刚好相反。
　　由于油菜(Brassica napus)芥子酶基因数量多，基因间同源率高，研究个别基因的组织特异性及诱导型表达难度较大，以基因亚家族为对象的研究较多，Falk，LenmanIn，Andreasson等用Northern blot和原位杂交的方法研究了油菜3个芥子酶基因亚家族MA、MB、MC的表达，与拟南芥不同的是，芥子酶基因在种子中表达，MA组的芥子酶基因主要在种胚特化的芥子细胞(my-rosin cells)中表达，MC组的基因的表达也局限于种胚，在所有的种胚芥细胞中都能检测到MC的转录产物，在种子的发育过程中，MA、MB、MC同步积累，在体细胞胚状体的发育过程中，芥子酶的积累与种子发育中的情况类似，MB亚家族不仅在种子中表达，而且在于叶、叶片、茎、根、及花和角果中表达，MB基因转录水平及酶活性在嫩叶中比老叶中强，这与嫩叶中硫代葡糖苷的含量较高是一致的，然而，在根部，似乎越老的组织芥子酶活性越高。

1 [2]