徐新娟，卫秀英

（河南科技学院，河南新乡， 453003）

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（Phosphoenolpyruvate carboxylase，EC4.1.1.31），简称 PEPCase，是广泛存在于植物细胞质中的一种酶，催化磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）与HCO3-反应生成草酰乙酸和无机磷，以往研究大多侧重于PEPCase在C4和CAM植物光合代谢中的关键作用，而很少涉及其在C4和CAM植物的非光合组织以及在C3植物中的一些用途[1].PEPCase主要存在于高等植物和细菌中，在动物和酵母中很少发现[2].PEPCase在植物代谢中发挥着重要作用，本文就其对植物有机酸代谢的调节作用作一综述.

1 PEPCase的生理特性及功能

PEPCase是由四个相同亚基组成的四聚体，每个亚基的分子量为95-110KDa.X-射线衍射试验证实了PEPCase的三维晶体结构[3].高等植物中的PEPCase有很多种同功酶形式，几乎遍布根、茎、果实和种子等所有器官.已知拟南芥的基因组包含四个PEPCase的编码基因[4]，它们分别在不同的植物器官中表达.Lebouteiller等研究发现PEPCase存在于种子的大多组织和胚胎，并由此推测PEPCase可能涉及贮藏物质的合成[1].此外，PEPCase是一种变构酶，其活性能被辅酶A所激活，而被天冬氨酸所抑制[3].

在高等植物中，PEPCase除了在C4和CAM植物的光合作用中起到最关键的作用外，还对C3植物大量的生物合成反应，例如通过回补途径的方式为氨基酸的合成提供碳架.PEPCase在C3植物的硝酸还原和氨同化过程中也有着重要作用，即光激活硝酸还原和光呼吸产氨时，线粒体通过PEPCase提供草酰乙酸或苹果酸的途径得到增强.这可能是因为草酰乙酸的供应增加，使苹果酸/草酰乙酸循环加快，细胞质中还原力的供应也加快，而这正是硝酸还原所需要的.PEPCase还参与一些代谢联系及共价控制的调节，如细胞质的pH和离子平衡、果实发育、种子的萌发和发育以及气孔开放、共生固氮等[5].

2 PEPCase在植物有机酸代谢中的关键作用

2.1 PEPCase推动三羧酸循环的顺利进行

植物的有机酸代谢主要是经细胞的呼吸作用途径，由线粒体的三羧酸循环（TCA-cycle）产生有机酸，再运送至细胞质或液泡累积贮存.当三羧酸循环中的碳架转运到氮同化、氨基酸生物合成中时，PEPCase会及时的为其提供碳架，以保证循环的顺利进行.因此，除了重新捕获呼吸释放的CO2，PEPCase的另一个关键作用就是补偿三羧酸循环中的碳架[2]，从而调节植物的有机酸代谢（图1[6]）.换句话说，PEPCase控制着有机酸的合成及其进一步的积累.Famiani等通过免疫组织化学方法发现一种紧密结合在葡萄脉管系统的PEPCase蛋白，证实PEPCase在同化物向果实运输的代谢过程中可能发挥着重要作用[7].

2.2 PEPCase调控果实有机酸的代谢

PEPCase在有机酸代谢的研究侧重于果实方面.研究发现果实发育中有机酸的积累被高度调控，植物有机酸合成的关键酶PEPCase可能参与果实发育中主要有机酸的合成，如苹果酸和柠檬酸[8].这个存在于细胞质的酶被高度调控[2].它催化PEP羧化产生的OAA被NAD-MDH还原成苹果酸，OAA和苹果酸进入到三羧酸循环生成柠檬酸.PEPCase也控制着有机酸的积累.然而，关于果实中PEPCase的性质和功能研究却很少[9].Guillet等研究了PEPCase在番茄果实发育及有机酸积累中的作用，提出番茄果实PEPCase存在两种同功酶，分别由LYCes;Ppc1和LYCes;Ppc2编码[10].其中，LYCes;Ppc1在番茄的果实和其他器官中均有表达，而LYCes;Ppc2仅在番茄果实细胞分裂期结束到果实成熟时有强烈的特异性表达，在此期间PEPCase蛋白含量和酶活性均显著增加，与此同时果实内苹果酸和柠檬酸含量也显著增加.以上结果表明番茄果实发育过程中LYCes;Ppc2在有机酸合成中发挥着重要的作用.原位杂交试验表明，LYCes;Ppc2主要在果实表皮细胞和靠近种子、体积正在膨大的凝胶细胞中表达[10].因此在番茄果实发育中，PEPCase很可能参与有机酸的合成从而提供细胞扩大所必需的膨压.

果实发育中成熟果实有机酸的最终含量主要由三步控制：发育早期阶段的合成、液泡储存及成熟时期的再动员[5].文涛等在脐橙上的研究表明，PEPCase活性是脐橙果实有机酸合成的关键酶，其活性与有机酸含量呈极显著正相关[11].Moing等比较了有机酸含量不同的两种桃树果实，发现在果实含酸量高的Fantasia品种中，PEPCase基因表达水平及蛋白含量都在开花后23 d和108 d时达到顶峰，而在果实含酸量低的Jasousia品种开花后23 d时很低，直到108 d才达到与Fantasia品种相似的水平[5]，表明PEPCase可能参与了正常含酸量果实（Fantasia）发育过程中有机酸的积累，这与Saradhuldhat等人在菠萝上的研究结果一致[12].

2.3 PEPCase紧密联系植物体内的碳氮代谢

植物体内有机酸代谢与氮代谢、碳同化是紧密相关的[13].α-酮戊二酸是氨基酸合成的前体，也是供NO3-和NH4+植物同化所必需的一种有机酸.Britto and Kronzucker在无机氮同化模型中提出，NH4+同化所需的碳架α-酮戊二酸就是通过三羧酸循环产生的[14]，是碳、氮代谢的枢纽[13].而这里的α-酮戊二酸主要来源于线粒体的三羧酸循环.因此，PEPCase在推动三羧酸循环的同时，对植物体内的氮同化也发挥着间接的调控作用.换言之，PEPCase的存在将植物细胞中的碳氮代谢紧密联系起来，见图2[15].

图1 PEPCase在植物体内有机酸代谢中的作用

图2 PEPCase联系植物细胞中的碳氮代谢

由于PEPCase在作物的氮素同化过程中也发挥着不可替代的重要作用，所以高等植物中PEPCase活性受氮素形态的影响很大.苹果酸是供NO3-植物所必需的一种有机酸，因为NO3-的吸收需要苹果酸的参与.已经证明，这些苹果酸酸可能是PEPCase催化的回补反应生成的草酰乙酸直接在苹果酸脱氢酶的作用下生成的，PEPCase是该过程的关键酶[2].Sagi等在黑麦草上的研究发现：PEPCase活性在铵硝混合培养下最高，全硝培养次之，全铵培养最低[16].同样的试验证明增铵处理能显著增强番茄叶片和果实的PEPCase活性[17].因此，PEPCase的羧化可能并不是主要为果实生长提供所需的碳水化合物，而是重新固定果实呼吸所释放的CO2，并积累苹果酸和柠檬酸，以维持细胞膨压的稳定[18].董园园等的试验结果表明，等氮量供应不同形态氮素时，100%NO3-处理下果实PEPCase活性在青果期达到最高值后急剧下降，而NO3-/NH4+=75%/25%时该酶在果实发育前期一直保持较高活性直至果实膨大期后才急剧下降，表明果实PEPCase的活性显著受到外源供氮形态的影响[17].但其影响的机理还不明确，有待于进一步研究取证.

3 小结及展望

有机酸代谢决定果实的品质及风味的重要因子之一，了解其代谢机制，对未来结果类作物的品种改良及分子遗传研究，都有相当大的帮助.植物有机酸代谢是一个极为复杂的过程，这些过程相互联系且协调统一，共同控制着有机酸代谢的进行.PEPCase在植物有机酸代谢中的关键作用决定了其不可替代的重要地位，但其调控机理还不是很清楚.因此，今后应从以下几个方面进行研究：①PEPCase与其它有机酸代谢酶的关联与调控机制，如柠檬酸代谢关键酶（柠檬酸合成酶、顺乌头酸酶、NAD-异柠檬酸脱氢酶等）及苹果酸代谢关键酶 （NAD-苹果酸脱氢酶、NADP-苹果酸酶）等；②在分子水平上研究PEPCase和其他有机酸代谢关键酶基因的表达差异；③在此基础上，研究不同外界条件下（如不同形态氮素处理）PEPCase的活性变化及表达差异.加强这几方面的研究不仅能从理论上阐明PEPCase在植物体内有机酸代谢中的关键作用，而且为农业生产中植物有机酸代谢的调控提供更多的理论依据和新的思路.

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