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【doc】细胞色素P450酶系对除草剂代谢作用的研究进展

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【doc】细胞色素P450酶系对除草剂代谢作用的研究进展【doc】细胞色素P450酶系对除草剂代谢作用的研究进展 细胞色素P450酶系对除草剂代谢作用的研 究进展 第12卷第6期 2o08年10月 农药研究与应用 AGROCHEMICALSRESEARCH&APPLICATIoN Vo1.12No.5 Dec20o8 专论与鲧迹. 细胞色素P450酶系对除草剂代谢作用的研究进展 吴翠霞,吴小虎,张晓芳,刘冰,刘君良 (山东农业大学植物保护学院,山东泰安271018) 摘要:细胞色素P450酶系是广泛存在于动物,植物和微生物体内的一类具有混合功能的血红素...
【doc】细胞色素P450酶系对除草剂代谢作用的研究进展
【doc】细胞色素P450酶系对除草剂代谢作用的研究进展 细胞色素P450酶系对除草剂代谢作用的研 究进展 第12卷第6期 2o08年10月 农药研究与应用 AGROCHEMICALSRESEARCH&APPLICATIoN Vo1.12No.5 Dec20o8 专论与鲧迹. 细胞色素P450酶系对除草剂代谢作用的研究进展 吴翠霞,吴小虎,张晓芳,刘冰,刘君良 (山东农业大学植物保护学院,山东泰安271018) 摘要:细胞色素P450酶系是广泛存在于动物,植物和微生物体内的一类具有混合功能的血红素氧化酶系. 在高等植物中执行着各种不同功能.包括植物正常生长发育所必需的初级代谢物和次级代谢物的生物合成, 而且参与许多外源性物质包括除草剂等的生物氧化.笔者综述了与除草剂代谢有关的细菌,哺乳动物和植物 细胞色素P450酶系,概述了细胞色素P450酶系代谢作用在除草剂选择性,耐受性,抗药性机理和抗除草剂 作物品种培育方面的意义,以及转细胞色素P450基因风险性评价等. 关键词:细胞色素P450酶系;除草剂;代谢 中图分类号:Q559.9文献标识码:A AReviewonCytochromeP450sandMetabolismsofHerbicides WUCui-xia,WUXiao-hu,ZHANGXiao-fang,LIUBing,LIUJun-liang (CollegeofPlantProtection,ShandongAgriculturalUniversity,Tai"an271018,China) Abstract:CytochromeP450sareadiverseofmuhifunctionalheme— thiolateproteinsinanimals,plantsand microorganisms.Besidestheirphysiologicalfunctionsinthebiosynthesisofprimaryandsec ondarymetabolized products,cytochromeP450smetabolizeexogenouschemicalsincludingherbicides.Thebac terial,mammalianand plantcytochromeP450sinvolvedinmetabolismofherbicidesarereviewed.Theimportance ofcytochromeP450sin herhicidesselectivity.tolerance.resistanceandtocreateherbicide—resistantcropswassummarized,risk assessmentsoftransgenic—P450splantsalsodissussed. Keywords:cytochromeP450s;herbicides;metabolisms 细胞色素P450酶系(简称P450s)是一类以其 还原态与一氧化碳结合后在波长450nm处有吸收峰 的含血红素铁硫蛋白.最早是1958年在大鼠的肝微 粒体中发现的_】].1969年Frear等[2首先报道了棉花 幼苗微粒体片段中的混合功能氧化酶对灭草隆的代 谢作用.这为植物细胞色素P450酶系参与除草剂 的代谢提供了直接证据.随后,大量证据证明了细 胞色素P450酶系参与了对许多除草剂的代谢和解 毒作用.现在认为细胞色素P45O酶系对不同的除 草剂代谢活性是某种作物与其他作物或杂草相比对 某种除草剂具有更高的耐受性的机理之一|4]. 1细胞色素P450酶系 1.1P450及其催化反应机制 . 生物中I:'450的种类多样 几种1:'450,高等生物中P450种类则多于低等生物, 动物中有80多种P450,植物中的P45O则多达几百 种[引. P450蛋白在原核生物中是可溶性蛋白,易于 分离纯化.在真核生物中,它常常通过?端的疏水 序列或者疏水环结合于线粒体内膜或内质网膜上, 因此真核生物P450蛋白的分离纯化非常困难.植 物P450蛋白具有含量低,不稳定等特点,同时细 胞壁不易破碎,加上酚类物质和色素(叶绿素,类 胡萝卜素)等干扰物质含量高,蛋白水解酶,脂肪 酶,过氧化物酶等水解酶活性高,使得植物P450 蛋白的分离尤为困难.目前,只有几种植物的几种 P450蛋白得到了分离纯化,并成功在体外和 NADPH结合,从而形成NADPH—P450还原酶. 低等生物一般只有P450必须与一系列相关蛋白组成多酶复合体 作者简介:吴翠霞(1985一),女,山东滨州人,硕士.(E— mail:wucuixia841217@163.COB). 收稿日期:2008一l1—18 第6期吴翠霞,等:细胞色素P450酶系对除草剂代谢作用的研究进展9 才可以发挥氧化功能.这种P450酶系复合体是由 P450,细胞色素b5,黄素蛋白一NADPH—P450还原 酶和磷脂等组成的.它们共同组成电子传递体系, 催化的总反应为: RH+NADPH+H++O2--~ROH+NADP++H2O 反应中,RH是底物,ROH是氧化产物.P450 为整个酶系中的末端氧化酶.其催化的反应是激活 一 个氧分子,并将其中的一个分子氧插入到底物 中,同时还原另一个分子氧而形成水分子,所以又 称为单加氧酶.它不仅起活化氧分子作用.同时还 与底物结合决定催化反应中底物的专一性.因此, P450在整个酶系的功能发挥中起关键作用. 1.2植物的细胞色素P450酶系 植物细胞色素P450酶系比动物细胞色素P450 酶系具有更严格的底物专一性,具有以更高选择性 和转化率代谢除草剂的潜能.目前.已经报道了 玉米,大豆和高粱微粒体对灭草松,玉米对氯嘧磺 隆.玉米和小麦对利谷隆以及玉米对氟嘧磺隆的细 胞色素P450依赖性氧化作用_7].另外,许多杂草也 是通过其体内的细胞色素P450酶系将某些乙酰乳 酸合成酶阻抑型除草剂降解为非毒性物质.从而 现出对这些除草剂的天然抗性.Yu等s]研究证明草 本植物Vulpiabromoides通过细胞色素P450介导的 代谢解毒作用从而表现出对乙酰乳酸合成酶 (ALS)阻抑型除草剂的天然抗性[. 最早发现的两种具有除草剂代谢活性的植物细 胞色素P450酶系是分别从菊芋(Helianthustuberosus) 和大豆中分离的CYP71A10和CYP76B1.这两种 细胞色素P450酶系均表现出对取代脲类除草剂的 代谢活性[4.9,10].另据报道从菊芋中分离的CYP73A1 在酵母中表达时表现出对绿麦隆的环甲基羟基化 催化活性….此~'l'Yamada等[12将从2,4一D诱导处 理的烟草中分离CYP81B2和CYP7lAll转人酵母 表达.证明CYP81B2和CYP71A11分别通过环甲 基羟基化作用和N,脱甲基化作用催化绿麦隆的 代谢. 1.3细菌的细胞色素P450酶系 Strauber等研究证明细菌RhodoCOCCI.I,$ erythropolisK223含有一种可溶性的细胞色素P450 能够催化苯氧丁酸酯类除草剂2,4一DB(2.4一二氯苯 氧)丁酸酯)酯键的裂解.在Rhodococcussp.菌株 NI86P21中.另一种细菌细胞色素P450酶系参与硫 代氨基甲酸酯类除草剂EPTC和三氮苯类除草剂莠 去津的降解. 1.4哺乳动物细胞色素P450酶系 哺乳动物肝脏微粒体中包含了一些与异源 物质代谢相关的细胞色素P450酶系.在人肝脏 中11种细胞色素P450酶系承担了90%以上细胞 色素P450依赖性异源物的代谢.研究发现,将 哺乳动物细胞色素P450基因导人植物是培育对 多种除草剂有交叉抗性的作物的一项十分有用 的技术. Inui等报道了表达人CYP1A1的转基因土豆表 现出对绿麦隆,莠去津,嘧草醚,甲基苯噻隆和达 草灭的代谢活性,从而表现出对这五种除草剂的交 叉耐受性.同时表达人CYP1A1,CYP2B6,CYP2C19 的转基因土豆很可能是通过三种细胞色素P450的 协同代谢作用对不同结构和作用方式的除草剂表现 出交叉耐受性.人CYP1A1,CYP2B6,CYP2C19单 独在土豆中表达时,转基因土豆分别表现出对莠去 津,绿麦隆,甲基苯噻隆和达草灭,乙草胺 (acetochlor)和异丙甲草胺,莠去津,乙草胺和异 丙甲草胺的交叉耐受性.当三种细胞色素P450同 时在土豆中表达时,转基因土豆则表现出对莠去 津,绿麦隆,甲基苯噻隆,达草灭,乙草胺和异丙 甲草胺以及稗草畏的交叉耐受性.但试验表明,只 有在同时转入三种细胞色素P450基因的土豆中才 表现出对稗草畏较强的耐受性.Inui等认为这可能 是由于稗草畏经CYP2C19代谢后.需经CYP1A1和 (或)CYP2B6的进一步代谢.最近,Kawahigashi 等|l3报道了转人CYP1A1基因水稻在萌发试验中, 表现出对喹禾灵,达草灭,苯噻草胺以及绿麦隆的 耐受性.研究发现转CYP1A1基因水稻体内的除草 剂代谢物可能从水稻根部排出,CYP1A1加快了水 稻对除草剂的代谢.因此转CYP1A1基因水稻表现 出对除草剂更高的耐受性. 2细胞色素P450酶系代谢除草剂的机制及作用方式 2.1P450对除草剂的代谢机制 一 般情况下.植物对除草剂的抗性是由于植物 本身具有代谢这些除草剂的能力.在植物体内,通 过代谢作用一缀合作用一分离3个阶段完成除草剂全 部代谢过程.从而解除除草剂的生物活性[1引.第一 阶段是植物进行除草剂代谢最重要的阶段.通过官 能团如一OH,一NH2,一SH,一COOH的引入促使除 草剂活性下降和极性增强.因而其进一步代谢得以 容易进行.在这一阶段中,P450因其有多样化的 催化机制.所以可对不同类型的除草剂通过脱烷基 化和(或)羟基化等作用进行修饰[1. 2.2P450代谢除草剂的作用方式 10农药研究与应用AGROCHEMICALSRESEARCH&APPLICATION第12 卷 P450参与除草剂代谢主要的作用方式有:脱 烷基化作用,环甲基羟基化作用,芳环的羟基化作 用,脱硫氧化作用和催化酯键断裂. 2.2.1脱烷基化作用 脱烷基化作用首先对除草剂的仅碳原子进行氧 化.然后在水解作用的同时释放出相应的醛类物 质.最先证明植物P450具有除草剂抗性来自于含 有P450的微粒体代谢除草剂的体外实验,多数种 类的除草剂被代谢为羟基化的烷烃,苯环或N一, S一,O一化的脱烷基产物以及它们的糖缀合物E3]. Cabanne等报道.小麦P450催化除草剂绿麦隆和异 丙隆在小麦植株体内代谢成N一脱烷基产物,2种除 草剂和P450抑制剂1一氨基苯并三唑(1, aminobenzotriazole,1-ABT)混合处理小麦幼苗后, 它们的N一脱烷化产物明显比单用除草剂的少. Burnet等在研究黑麦草P450催化三氮苯类除草剂西 玛津时,证实其代谢产物为N一脱乙基化合物,70 mmol?L的l—ABT显着抑制P450对西玛津在黑麦草 体内的代谢. 2.2.2羟基化作用 羟基化可分为环甲基羟基化和芳环的羟基化. 环甲基羟基化作用是位于苯环上的甲基基团被氧化 生成相应的醇.在小麦,大麦和玉米这些对绿麦隆 表现出抗性的作物中.其主要通过环甲基羟基化作 用和N一脱甲基化作用代谢绿麦隆,而P450酶系参 与对绿麦隆环甲基羟基化作用似乎对除草剂的选择 性和抗性更为重要l6].关于芳环的甲羟化则报道更 多.Romano等报道,P450抑制剂TC(telcyclacis) 和TF(tridiphane)强烈抑制除草剂禾草灵和威霸 在小麦和大麦体内的羟基化代谢,谷光甘肽一S一转 移酶也参加整个除草剂的代谢过程.Inui等对人 CYP2C9基因的水稻转基因研究的结果表明.转基 因水稻代谢绿磺隆和唑吡嘧磺隆是通过芳环的羟基 化作用进行的,代谢分别产生羟基化绿磺隆和羟基 化唑吡嘧磺隆,然后与葡萄糖形成轭合物,从而降 低这2种除草剂对水稻的毒性. 2.2_3脱硫氧化作用和催化酯键断裂 相对来说.生物体内催化脱硫氧化作用和催化 酯键断裂的除草剂代谢反应较少.高粱细胞色素 P450酶系催化除草剂二嗪农P=S脱硫氧化为P=O类 似物:Inui等研究发现表达人CYP2C19的转基因土 豆通过脱甲基化作用和催化硫代氨基甲酸酯键的裂 解代谢稗草畏.此外细菌菌株R.erythropolisK223 细胞色素P450(PB21)能够催化苯氧丁酸酯类除 草剂2.4一DB酯键的断裂. 3研究细胞色素P450酶系对除草剂代谢作用的意义 3.1对除草剂的选择性,耐受性和抗性的影响 细胞色素P450酶系对除草剂的解毒作用是导 致除草剂选择性与植物耐受性,抗药性的重要机 制.耐受性或抗性植株能迅速将除草剂降解为低毒 或无毒代谢物,而敏感植株则不能或是解毒代谢速 度远低于抗性植株_18].抗性生物型通过提高细胞色 素P450单加氧酶的活性或其基因的表达,使除草 剂的代谢增强,该酶常与除草剂在植物体内代谢的 第一步有关.据报道,瑞士黑麦草通过提高 CytP450的活性,而使其对环己烯酮类,阿特拉津 等除草剂抗性的增加.鼠尾看麦娘对禾草灵,绿磺 隆等所产生的交互抗性,也可能是通过N一脱烃作 用和细胞色素P450有联系的环形烷基氧化过程. 使得除草剂迅速降解而实现解毒[10,11,19].在澳大利 亚.某些抗禾草灵的瑞士黑麦草对绿磺隆产生的交 互抗性是抗性个体新陈代谢能力增强之故. 3.2培育抗除草剂的作物品种 随着分子生物技术不断发展,到目前为止,已 1052个植物细胞色素P45O基 从l11种植物中获得 因,部分P450基因功能已得到鉴定.加].除了植物 中多种细胞色素P450酶系(CYP71A10,71A11, 73A1,76B1,81B1,81B2等)表现出对除草剂的 代谢活性外,从其他生物体中也发现多种对除草剂 有代谢活性的P450基因(CYP1A1,1A2,2B2, 2Cl1,2C19,2D1,2D6,2El,3A4等).因此利 用生物工程技术.将这些细胞色素P450基因转入 作物中,获得抗除草剂作物新品种,成为除草剂生 物科学和作物育种领域研究的热点之一. 迄今,人们已将多种P450基因用于植物改良 实践.例如,0keefeD等.加,?报道了从土壤细菌 Streptomylesgriseolus中诱导出二种细胞色素P450单 加氧酶CytsP450su1和P450su2~,快速代谢磺酰脲类 除草剂,并测出它们促进除草剂的代谢产物和除草 剂在植物中的代谢产物类似,而且细胞色素 P450sul促进代谢速度比P450su2更快.Okeefe 等E22,23]将这二种细菌的细胞色素P450进行了克隆和 核苷酸序列分析,Bolwell[24成功地将细菌细胞色 素P一450sul转入烟草,获得了抗除草剂R7402的表 达]. 将兔的P450基因CYP1A1与酵母NADPH— CytP450还原酶基因融合产生一个可利用植物 NADAP的杂合蛋白,将该融合基因转入烟草,转 基因烟草植株抗除草剂绿麦隆的能力增强].将从 第6期吴翠霞,等:细胞色素P450酶系对除草剂代谢作用的研究进展11 大鼠基因组中克隆P450基因CYP1A1导人烟草及土 豆基因组中.转基因植株不但具有抵抗多种除草剂 (莠去津,绿麦隆等)的毒害,而且还可对同一种 除草剂发生多种修饰作用,有效地降低其毒性. 4转细胞色素P450基因风险性评价 转基因抗除草剂(HRGM)作物的抗性基因的 转移.渗透或流失及其杂草化问题已日益突出.主 要表现在:抗性作物与常规作物问的基因互渗,发 生抗性基因漂移或抗性作物退化;抗性作物与其野 生近缘物种问,尤其是与近缘杂草间的基因互渗, 可直接将抗性基因转移到杂草或自然生境中.在除 草剂定向选用的情况下,直接对生物多样性构成威 胁:如果对HRGM作物管理不当,则抗性作物可能 逸生为杂草]. 若在作物中引入除草剂解毒基因,应评价新的 酶学特性和除草剂代谢的毒理学性质.在哺乳动物 微粒体的细胞色素P450代谢异体中,这些解毒基 因为多重酶并对于包括天然产物在内的外来化学物 质的不同结构化合时显示了光谱和局部一致的基质 特性,例~ICYP1A2和CYP2A6可分别代谢咖啡因和 尼古丁.因此,也必须考虑外来的化学物质以及含 有这些酶的转基因作物的二级代谢模式. 5结语 细胞色素P450酶系参与了所有主要类别除草 剂的代谢,并且在除草剂选择性和杂草的抗性方面 发挥了重要的作用[18].人i'llgJ用植物基因工程技术 和近代遗传学通过对作物遗传基因的修饰,转入代 谢除草剂的外源细胞色素P450基因,培育出多种 抗除草剂作物.不仅提高了除草剂对作物的安全 性,同时也扩大了除草剂的应用范围.另外,转细胞 色素P450基因在植物转化或生物修复中可被用作阳 性选择标记物或阴性选择标记物.随着重组植物细胞 色素P450基因的不断发现和应用.细胞色素P450 酶系在除草剂抗性工程中表现出巨大的潜力_6]. 参考文献: [2] 李明,曾任森,骆世明.细胞色素P450酶系与植物 的化学防御[J].中国植保导刊;2006,11:13—15. 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