宋红苗，陶跃之，王慧中，徐祥彬

(1.浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所，浙江杭州310021;2.杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江杭州310036)

γ－氨基丁酸(GABA)是一个四碳非蛋白氨基酸，它广泛存在于动物、植物和微生物中。长久以来，GABA仅仅被认为是植物或微生物的代谢产物。1950年，GABA在哺乳动物的中枢神经系统被发现，此后GABA逐渐成为科学研究的一个热点。GABA的功能十分广泛，它是哺乳动物中枢神经的首要神经传递抑制素，在调节神经元兴奋度上起着重要作用;在人体内，GABA可以直接作用于肌肉张力的调节;在昆虫中，GABA可以作用于神经兴奋信号受体;在植物中，GABA参与了包括调节细胞内pH环境、碳(C)、氮(N)营养平衡、抑制昆虫啃食、防止氧化胁迫、渗透调节、信号传递等在内的各种生理生化反应[1]。本文在前人研究的基础上，重点对植物中GABA的合成途径及功能研究的最新进展作简要介绍。

1 GABA分子及其代谢循环中的酶

GABA是一个四碳氨基酸，在绝大多数状态下是以两性离子(带负电荷的羧基和带正电荷的氨基)的形式存在。它的分子构象取决于它的存在状态:呈气态时，由于两个带电基团的静电吸引其分子构象高度折叠;呈固态时，分子间相互作用由于反式构象的氨基和旁氏构象的羧基而加强，其分子构象为伸展状态;而在溶液中，两种分子构象同时存在。GABA这种多变的分子构象有利于其与不同的受体蛋白结合，发挥其不同的生物功能[2]。

植物中的GABA代谢途径是从三羧酸(tricarboxylic－acid，TCA)循环延伸出来的一个侧枝(图1)，又称GABA支路(GABA－shunt)。这个短的代谢途径中包含3个酶:一个是位于细胞质中的谷氨酸脱羧酶(glutamate decarboxylase，GAD)，另外2个是GABA转氨酶(GABA transaminase，GABA－T)和琥珀酸半醛脱氢酶(succinic semialdehyde dehydrogenase，SSADH)[3－4]。

GAD有4个结构域:1－57氨基酸残基的N端结构域对形成和稳定GAD的二聚和六聚体非常重要;58－347氨基酸残基组成大结构域，该结构域包含了辅因子结合位点和一个磷酸吡哆醛(pyridoxal 5′－phosphate，PLP)酶类特有的α/β折叠;小结构域由348－448氨基酸残基组成，其特征是4个反平行的β片层和3个α螺旋;最后是C端结构域，包含钙调素(calmodulin，CaM)结合结构域(CaM binding domain，CaMBD)和pH感应位点[5]。GAD定位于细胞质中，可以不可逆地催化谷氨酸脱去羧基生成GABA和CO2，其活性受细胞环境pH和Ca2+/CaM调节，在GAD碳末端有一个结构域可以感知细胞环境pH的变化或与CaM结合[4－6]。当细胞环境处于正常生理pH范围内时，GAD酶活性很低，但也足够维持细胞正常生长发育所需;当pH大于生理pH时，GAD酶活性主要靠CaM来调控，这时GAD可以与CaM紧密结合释放自动抑制结构域，从而激活其酶活性;当细胞环境为酸性(pH＜6)条件下，GAD碳端的CaMBD不能稳定地和CaM结合，GAD酶活性主要依赖pH调节[5]。因此，在植物细胞中，由于pH和Ca2+/CaM协同调控GAD，使GABA能有效地响应外界逆境胁迫，尤其是非生物逆境胁迫。

GABA合成后，可由转运蛋白从细胞质运送到质体和线粒体，GABA－T不仅存在于细胞质也存在于质体和线粒体[7]。植物体中存在2种GABA－T，可以利用丙酮酸或α－酮戊二酸作为氨基受体可逆催化GABA生成琥珀酸半醛(succinic sem ialdehyde，SSA)[3]，其中一种是以丙酮酸作为氨基受体的GABA转氨酶(GABA－TP)，在烟草和拟南芥等多种植物中发现[4]，另一种是以α－酮戊

图1 GABA的代谢途径

2 GABA支路在植物中的生物功能

2.1 调节细胞环境pH

当植物细胞环境发生酸化时，GAD酶活性被激活，细胞内合成并积累GABA，需要消耗大量H+，从而起到缓解细胞环境酸化的作用[3]。Craw ford等[10]利用荧光pH探针监测植物在弱酸条件下细胞内pH的变化及GABA积累情况，结果发二酸作为氨基受体的GABA转氨酶(GABA－TK)，虽然早有在烟草、小麦、大豆和萝卜中存在的报道，但其活性远低于GABA－TP，其在植物中功能还有待进一步证实[1]。最近的一篇报道发现在处于最后成熟阶段的番茄果实中GABA－TK活性很高，并在GABA分解代谢中起着关键作用[8]。2009年，Clark等[9]发现拟南芥中去掉N端定位序列的成熟AtGABA－T酶可以以乙醛酸为氨基受体，这说明GABA还可能参与了乙醛酸的代谢。SSADH能够可逆催化琥珀酸半醛生成琥珀酸，并将NAD+还原成NADH。由于琥珀酸和NADH都是线粒体呼吸链中的底物，它们最终要参与ATP形成，因此SSADH酶活性会受到ATP的反馈调节。现细胞内pH在1 s内降低了0.6，GABA的含量在15 s内提高2～3倍，45 s内由GABA合成而消耗的H+占酸胁迫H+总量的50%。基因芯片分析表明，对低pH环境敏感的拟南芥突变体stop1，在环境发生酸化时，GABA代谢途径中的GAD、GABAT和GDH等基因表达都呈现下调趋势[6]。在细菌中，GABA同样对抵抗酸胁迫发挥重要作用[11]。

2.2 调节碳氮营养平衡

植物对外界营养环境的感知和响应主要是通过感应器、受体、转运蛋白、信号传递原件和基因表达调控原件等一系列复杂的系统共同作用，调节养分的吸收和代谢，进而使得植物在生长速度和发育上发生变化[12]。C、N营养平衡的调控机制包括植物体内糖含量的感知与调节、氮营养吸收等一系列复杂的过程。由于C、N营养平衡感应器的代谢物有可能是谷氨酰胺、GABA或其它氨基酸和糖类[13]，此外GABA也密切联系着氨基酸代谢和TCA循环，因此GABA代谢途径被认为能够调节C、N营养平衡。

植物体内糖代谢途径主要是通过糖酵解和TCA循环，GABA支路和TCA循环密不可分。利用突变体研究GABA支路和TCA循环之间的相互影响发现，在TCA循环中涉及到琥珀酸生成的酶都会影响到GABA支路的活性，而琥珀酸下游的酶对GABA代谢没有影响[14]。Studart－Guimarães等[15]利用RNAi技术抑制植物琥珀酰－辅酶A连接酶表达活性，发现由于该酶的抑制而造成的琥珀酸缺乏可以通过GABA支路活性的提高来弥补。但对琥珀酰－辅酶A的动力学特征的研究表明，琥珀酰－辅酶A对琥珀酸生成的调控与GABA支路不同[16]。说明虽然TCA循环和GABA支路对细胞环境的响应不同，但二者之间确实存在着密切联系，GABA支路可以看作是TCA循环的一个组成部分，也是一个碳流的输出途径[1]。

绝大部分无机氮的吸收是通过谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶途径合成谷氨酸(glutamine synthetase/glutamate synthetase，GS/GOGAT)，该途径也是绝大多数氨基酸(包括GABA)合成的起点。当GS/GOGAT途径受到抑制、蛋白质合成降低或蛋白质降解加速时，谷氨酸生成GABA的速度就会加快，说明GABA可能是氮源的暂时储存库[17]。例如，GABA在番茄中的含量能占到自由氨基酸总量的50%左右[8]，拟南芥也可以在仅有GABA做氮源的培养基上有效生长，都说明GABA参与了氮的储存与运输，以及氮代谢的整个过程[18]。除此之外，在拟南芥的研究中还发现GABA调控14－3－3基因家族的表达。14－3－3是一类广泛存在的调节蛋白，在调节植物碳氮方面起着重要作用，其靶蛋白通常参与磷酸化作用，受其靶蛋白调节的酶中包括硝酸还原酶、谷氨酸合成酶、淀粉合成酶Ⅲ和甘油醛－3－磷酸脱氢酶等一系列与碳氮代谢相关的酶类[19]。

2.3 环境胁迫应答

正常生长条件下，植物中的GABA含量相对较低，为0.03～2.0μmol·g－1。为了响应外界的生物和非生物逆境胁迫，植物GABA支路会迅速提高并大量积累GABA，其浓度甚至能增加10倍以上[20－21]。GABA的生化特性和脯氨酸、甜菜碱等熟知的渗透调节小分子类似，在生理pH条件下是两性离子，易溶于水，其水溶液达到mmol水平时对细胞也不会造成毒害[18]。在水分胁迫条件下，GABA可以作为小分子渗透调节物质，降低细胞质的水势，增强细胞保水性从而缓解细胞缺水造成的伤害。GABA支路在植物抵御氧化胁迫上也起着重要作用。在对拟南芥ssadh突变体的研究中发现，ssadh对环境胁迫很敏感，胁迫条件下其体内活性氧积累量远远高于野生型，致使细胞加速坏死[22]，说明GABA支路能够抑制活性氧的积累，其原因可能是由于GABA支路为TCA循环供应NADH和琥珀酸等反应底物，GABA支路不通畅会消弱线粒体的呼吸作用，从而致使活性氧大量积累[23]。利用转基因敲除GABA支路中的基因会引起植物对氧化胁迫敏感，而过量表达这些基因能够提高转基因植物对氧化胁迫的耐受性[24]。丙氨酸和GABA作为碳和氮的储存库也是植物在低氧胁迫下一种重要的适应机制。低氧胁迫下，野生型拟南芥中GABA和丙氨酸含量会大量积累，而突变体gad1和gaba-t1中不仅GABA合成受到影响，丙氨酸的积累也受到抑制，说明GABA支路影响着低氧条件下丙氨酸的积累[25]。植物在受到草食昆虫或病菌侵害时会合成一类六碳的醇类化合物来保护自己不受进一步侵害，E－2－己烯醇就属于其中之一。在对E－2－己烯醇不敏感拟南芥突变体her1的研究中发现，her1植株所有组织中的GABA含量非常高，HER1基因编码的是GABA－T蛋白，说明GABA参与了E－2－己烯醇的解毒过程[26]。GABA支路还可以通过GAD和谷氨酸受体家族与Ca2+信号途径相联系，从而调节细胞内Ca2+浓度及与Ca信号相关的胁迫应答反应[5，22]。GABA还和ABA和乙烯等信号途径之间存在相互作用[19]。植物由于昆虫啃噬受到的创伤也会诱发GABA的积累和细胞环境酸化，被昆虫取食而摄入昆虫体内的GABA会直接作用于昆虫神经肌肉接合处，从而阻止昆虫进一步取食。此外，昆虫体内的GABA和其离子型受体结合后能够快速激活Cl－离子通道，使Cl－流向电化学梯度下游，从而使质膜超极性化并阻止可能发生的行为动作[27]。已有研究表明在水稻和烟草中组成型过表达GABA可增强转基因植物对多种自然害虫的抗性[28]。

2.4 调控生长发育

GABA含量的变化对植物生长发育的影响非常大。例如，Akama等[28]在烟草中过量表达一个活性突变的GAD基因，使得转基因植株中GAD活性变为组成型激活，其GABA含量远高于野生型中GABA含量，而其它自由氨基酸含量减少，造成烟草矮化茎杆不能伸长。转基因敲除拟南芥中的一个GAD基因，导致GABA含量降低，也能够致使根部发育不完全[22]。在不同成熟度的番茄中，GABA含量不同，说明GABA参与了番茄果实的成熟过程[8]。此外，GABA还参与了植物的授精过程。在拟南芥中POP2(pollen－pistil－interaction2)编码GABA－PT，它能够调节并维持二倍体雌性细胞和花粉管中GABA的含量，使在未受精的雌蕊中存在一个从柱头到珠孔逐渐升高的GABA浓度梯度，刺激并引导花粉管伸长。Preuss等人研究拟南芥突变体pop2，发现突变体中GABA在二倍体花组织中积累，其含量达到野生型的100多倍，GABA浓度梯度不能形成，从而花粉管的生长得不到引导，伸长也受到抑制[29]。在对pop2突变体的研究中还发现，GABA是以信号分子的角色参与其中的。在哺乳动物的中枢神经系统，GABA是首要的神经传递素。作为信号分子，在动物中已经发现GABA有3类受体，分别是GABAA、GABAB和GABAC受体，其中GABAA和GABAC是离子型受体，其本身是一个离子通道;GABAB是代谢型受体，它是一个G蛋白偶联受体，可以通过中间体G蛋白将离子通道打开。人们普遍认为在植物中可能也存在GABA受体，并通过受体来调节GABA作为信号分子，然而研究人员并没有在拟南芥基因组中找到与动物GABA受体高度同源的基因。但是却在拟南芥中发现了与GABA互作的一类蛋白家族AtGLRs，是拟南芥谷氨酸受体，与哺乳动物中的离子型谷氨酸受体(inotropic glutamate receptors，iGluRs)的同源性很高，结构也相似[30]，这类蛋白家族有一个能结合调节配基分子的结构域，这一点与GABAB类受体比较相似[31]。

2.5 GABA医用价值

GABA除了在植物发育和抵御逆境等方面起着重要作用外，还有许多重要的医用价值。例如，GABA能够降低血压，改善动脉压力感受性反射的功能;GABA可以抑制肿瘤细胞中端粒酶的活性，从而抑制肿瘤细胞增殖恶化[32];GABA还可以提高抗惊厥阈值，是治疗顽固性癫痫的特效生化药物[33];一些使用最广泛的麻醉药是通过作用神经递质GABA的受体发挥功能的;此外，GABA还有预防和改善糖尿病、安神醒脑、防止衰老、健肝利肾、预防肥胖、改善更年期综合症、增加神经营养、促进乙醇代谢等功效。

3 展望

近年来，关于GABA在植物体中的生理作用的研究越来越多，并取得了许多突破性进展。但是逆境条件引起GABA积累的具体生理功能，以及GABA在植物抗逆过程中如何发挥作用，到目前为止还不是很清楚。GABA在高等植物发育调节过程中是以信号分子的形式参与其中，这一点已经有初步的证据，但它在植物抗逆途径中是否也起着信号分子的作用还有待验证。

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