植物SABATH甲基转移酶家族生物学功能研究进展

郑二松，周洁，徐如梦，郑超，陈新宇，谭晓菁，杨勇，鲍根良，陈剑平，王栩鸣，严成其

1.浙江师范大学 化学与生命科学学院，浙江 金华 321004；2.浙江省农业科学院，浙江省植物有害生物防控重点实验室省部共建国家重点实验室培育基地，浙江 杭州 310021；3.宁波市农业科学研究院，浙江 宁波 315040；4.宁波大学，浙江 宁波 315211

甲基化过程伴随着植物的整个生命周期，同植物次生代谢密切相关。模式植物拟南芥和水稻基因组中约有20%的基因与次级代谢物的合成相关[1-2]，迄今，与次生代谢相关的基因中只有一小部分在功能上得到验证，而甲基转移酶类则是这些基因中研究较为充分的一部分。甲基转移酶（methyltransferase，MT）以S-腺苷-蛋氨酸（S-adenosyladenyl-L-methionine，SAM）作为甲基供体，能够催化多种植物激素和小分子化合物形成相应的甲基化产物。大量研究显示，这些次级代谢物在植物生长发育、信号传递及防御反应中都发挥重要作用。植物SABATH甲基转移酶主要催化激素和一些小分子的羧基N原子甲基化，得名于该家族中最早被发现的3个成员水杨酸羧基甲基转移酶（salicylic acid carboxyl methyltransferases，SAMT）、苯甲酸羧基甲基转移酶（benzoic acid carboxyl methyltransferases，BAMT）和可可碱合酶（theobrominesynthase，TCS）[3]。由于 SABATH 甲基转移酶涉及水杨酸、茉莉酸等重要植物激素的代谢，对农作物生长、抗逆育种研究、病虫害控制、可持续的农业系统的开发具有重要的理论指导意义，因此对它们的研究也受到广泛重视。

1 植物SABATH甲基转移酶家族的分类

甲基转移酶是上世纪五六十年代在研究精神疾病时发现的，自从多巴胺假说发表，即中枢神经系统多巴胺分泌旺盛是引起精神分裂症的病因之一，儿茶酚-O-甲基转移酶（catechol-O-methlytranse，COMT）能够催化多巴胺甲基化引起了人们的研究兴趣[4]。随后，甲基转移酶在遗传物质修饰、基因表达、系统发育和植物细胞分化等方面的调节功能被逐一发现[5-6]。

1.1 植物甲基转移酶的分类

植物甲基转移酶通过催化底物甲基化参与植物次级代谢物的合成。以SAM为甲基供体的甲基化是一类常见的甲基化反应，是由甲基转移酶催化底物生成S-腺苷同型半胱氨酸（S-adenosyl-L-homocysteine，SAH）和甲基化的底物。根据作用底物的化学性质不同，可将植物甲基转移酶分为C、N、S和O位甲基转移酶类（OMTs）。例如在向日葵中发现的淄醇甲基转移酶（sterol methyltransferase，SMT）[7]催化淄醇侧链的第 24位 C原子甲基化参与淄醇合成，淄醇与植物的生长发育有非常重要的关系；在茶叶中鉴定出咖啡因合酶（caffeine synthase，TCS）[8]，该甲基转移酶催化 7-甲基黄嘌呤的N1和N3甲基化生成咖啡因；在白菜中发现的硫醇甲基转移酶（thiol methyltransferase，TMT）[9]将植物过多的 HS-甲基化生成甲硫醇挥发性气体，参与植物解毒过程。OMTs是植物体内种类最多的甲基转移酶类，虽然它们的功能都很相似，但三维结构和催化底物区别很大，通过研究三维结构，可以把OMTs分为3种类型[10-11]。

Ⅰ型OMTs的相对分子质量约40 000，主要催化苯丙酸类化合物羟基上氧原子的甲基化，其已知催化底物包括苯丙烷、类黄酮、异类黄酮、香豆素等。如异黄酮O-甲基转移酶（isoflavone O-methyltransferase，IOMT）催化异黄酮甲基化生成异甘草素，后者是参与豆类植物抗毒素合成必不可少的中间体[12]。目前对Ⅰ型OMTs的晶体结构研究较多，例如紫花苜蓿的查尔酮O-甲基转移酶（chalcone O-methyltransferase，ChOMT）和IOMT的晶体结构都已被解析[13]，有助于进一步了解OMTs是如何与底物特异性结合的。Ⅱ型OMTs参与的甲基化反应需要二价阳离子的存在。Ⅱ型OMTs的相对分子质量为23 000～28 000，这类OMTs均以羟化肉桂酸的辅酶A酯为催化底物，主要与木质素合成有关[14]。典型的Ⅱ型OMTs如咖啡酰辅酶A 3-氧位甲基转移酶（caffeoyl coenzyme A 3-O-methyltransferase，CCoAOMT）[15]可催化木质素生物合成过程中的5-羟基阿魏酰辅酶A转化为芥子酰辅酶A。CCoAOMT的晶体结构已被解析[15]，其序列与动物的邻苯二酚O-甲基转移酶高度同源。Ⅲ型OMTs的相对分子质量约为40 000，主要催化小分子化合物的羧基以及N原子的甲基化，在植物生长发育、挥发性化合物合成、防御反应等方面发挥重要作用[16]。

1.2 植物SABATH甲基转移酶家族

植物SABATH甲基转移酶是目前研究最多的Ⅲ型OMTs，是一类以SAM为甲基供体，催化激素和小分子化合物的羧基和N原子甲基化的酶。仙女扇（Clarkia breweri）中的SAMT[3]是SABATH甲基转移酶家族被发现的第一个成员[17]，随后又在金鱼草（Antirrhinum majus）中发现了 BAMT[18]，在茶叶（Camellia sinensis）中发现了TCS[8]。

更多的SABATH甲基转移酶家族成员被陆续发现。在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中发现了茉莉酸羧基甲基转移酶（jasmonic acid carboxyl methyltransferase，JMT）[19]、法尼酸羧基甲基转移酶（farnesoic acid carboxyl methyltransferase，FAMT）[20]、吲哚乙酸羧基甲基转移酶（indole-acetic acid carboxyl methyltransferase，IAMT）[21]、赤霉酸羧基甲基转移酶（gibberellic acid carboxy methyltransferase，GAMT）[22]、苯甲酸/水杨酸羧基甲基转移酶（benzoic/salicylic acid carboxyl methyltransferases，BSMT）[23]，不仅参与植物挥发性化合物合成，过表达JMT的拟南芥能够增强其对葡萄孢菌（Botrytis cinerea）的抗性；FAMT参与保幼激素（juvenile hormone，JH）的合成，影响害虫的生长发育，减少害虫对植物的危害；IAMT能够调控拟南芥下胚轴的发育；GAMT能够调控拟南芥种子萌发；BSTMT具有催化苯甲酸和水杨酸甲基化的功能。在罗勒（Ocimum basilicum）中发现了肉桂酸羧基甲基转移酶（cinnamate/p-coumarate carboxylmethyltransferases，CCMT）[24]，CCMT 在植物抗虫害过程中发挥重要作用。在烟草（Nicotiana suaveolens）中发现了烟碱羧基甲基转移酶（nicotinicacidcarboxyl methyltransferase，NAMT）[23]，能 够 抑 制 害 虫 的 发育，减少害虫对植物的危害。在咖啡（Coffea canephora）中发现了7-甲基黄嘌呤甲基转移酶（methylxanthine methyltransferases，XMT）和 3，7-二甲基黄嘌呤甲基转移酶（dimethylxanthine methyltransferases，DXMT）[25]，二者是可可碱合成过程中所必需的甲基转移酶。在玉米（Zea mays）中发现了邻氨基苯甲酸羧基甲基转移酶（anthranilic acid methyltransferase1，AAMT）[26]，外 源 表 达AAMT蛋白验证了其甲基化的生化特性。这些SABATH甲基转移酶能够催化不同底物的甲基化，同时也具有相似的生化特征。

2 植物SABATH甲基转移酶的生物学功能

植物SABATH甲基转移酶参与多种次级代谢物的合成，其生物学功能主要分为2种类型。一类是在花器官中参与挥发性物质的合成[28]，并有研究表明这类挥发性物质与植物授粉有关[29-30]，同时还能吸引昆虫天敌[24]。另一类则是通过催化植物激素甲基化参与植物防御反应[31-32]，其中水杨酸甲酯（methyl salicylate，MeSA）和茉莉酸甲酯（methyl jasmonate，MeJA）等挥发性甲酯类化合物分别是由SAMT和JMT催化水杨酸（salicylate，SA）和茉莉酸（jasmonate，JA）甲基化生成的产物。SA、JA以及甲基化产物MeSA、MeJA不仅是植物体内重要的防御信号分子[33]，同时还影响植物的生长发育，以及昆虫取食行为。植物SABATH甲基转移酶是植物次级代谢物合成、信息交流和防御反应的重要组成部分，是植物完成生命周期的一环。通过研究SABATH甲基转移酶调控MeSA和MeJA等甲酯类化合物的合成，能够进一步了解植物防御反应机制。

2.1 SABATH甲基转移酶参与植物防御信号转导途径

SA和JA一直是植物病虫害防御反应的重点研究对象，SAMT和JMT分别催化SA和JA甲基化，通过改变植物体内的SA和JA含量，间接参与植物防御反应。相关研究已经有了很大进展。

2.1.1 SAMT参与植物防御反应 研究表明MeSA是系统获得性抗性（systemic acquired resistance，SAR）的关键移动信号分子[34-35]，Park等[35]在烟草嫁接研究中，发现水杨酸结合蛋白2（salicylic acid binding protein 2，SABP2）沉默株系嫁接到野生型烟草中后，在SABP2沉默株系叶片接种烟草花叶病毒（Tobacco mosaic virus，TMV）不能将防御信号传到野生型烟草中，证明MeSA是诱导SAR的内源性物质。野生型烟草接种TMV时，烟草叶片中的MeSA含量显著上升，受感染和临近感染部位的烟草叶片对TMV都表现出一定的抗性，表明MeSA可能是一种空气传播信号，从而在健康烟草叶片中诱导抵御病原体入侵的SAR反应[36]。

MeSA在植物虫害防御反应过程中同样发挥重要作用，当植物健康组织遭受病虫侵袭时，植物体内会积累并释放大量MeSA来激活植物防御基因的表达，合成植物毒素和蛋白抑制剂等减少害虫取食[37]；不仅如此，昆虫取食植物时释放的挥发性化合物中含有大量MeSA，这类甲酯类挥发性物质能够影响害虫的取食行为，例如蚜虫（Rhopalosiphum padiL.）冬季常寄生在稠李（Prunus padusL.）上，稠李会释放挥发性气体从而导致蚜虫在春季迁徙，在释放的挥发物中检测到大量MeSA。用MeSA处理蚜虫的夏寄主燕麦后，蚜虫不会选择该燕麦作为寄主，从而保护燕麦免受蚜虫的攻击[38]。MeSA利用其挥发性能够吸引害虫天敌，例如拟南芥遭受菜青虫（Pieris rapae）取食后，拟南芥释放的挥发性化合物能够吸引菜青虫的天敌绒茧蜂（Cotesia rubecula）来控制青虫的数量，从而保护拟南芥的正常生长发育，检测挥发性物质时发现其含有大量的MeSA[39]。这些研究都表明SAMT通过调控植物体内的MeSA含量，间接参与植物防御反应。

2.1.2 JMT参与植物防御反应 MeJA具有挥发性、不易被离子化等特性，能够透过细胞膜，不仅可以在细胞内传递信号，还能在植株间传递信号。Seo等[19]在拟南芥中过表达AtJMT，发现过表达AtJMT的拟南芥体内MeJA的含量是野生型拟南芥的3倍，响应JA信号转导途径的营养储存蛋白（vegetative storage protein，VSP）和植物防御素（plant defensin 1.2，PDF1.2）表达量上升，增强了拟南芥对葡萄孢菌的抗性。

已有研究表明，植物遭受虫害时，体内MeJA含量显著升高，将“虫害信息”传递给未受伤部位和邻近植物使其进入警戒状态，同时MeJA诱导植物体内防御基因的表达，从而激活植物体内一系列连锁防御反应[40]。Stitz等[41]在拟南芥中沉默AtJMT基因，发现在拟南芥的总JA含量不变的情况下，2种受JA诱导表达的苏氨酸脱氨酶和胰蛋白酶抑制剂的表达水平显著降低，对害虫的抗性明显减弱。对拟南芥叶片进行损伤处理或MeJA处理后，健康叶片中JMT基因的表达水平是上调的，说明该基因是系统性诱导的[42]。Song等[30]研究发现，在植物损伤的早期，JMT基因的表达水平显著提高[43-44]，说明JMT基因作为茉莉酸信号转导途径下游的基因，能够快速响应外界生物或非生物胁迫而引起的局部或系统性的信号，可能与刺吸式昆虫的防御反应有关。Martin等[45]外源使用MeJA处理花菱草的悬浮细胞时，发现MeJA能够诱导JMT表达，说明茉莉酸的甲基化以及MeJA的去甲基化参与植物的防御系统。Wu等[46]研究发现MeJA处理所引起的植物抗性增强并不是由MeJA直接引起的，而是MeJA去甲基化的产物JA所致。以上说明JMT不仅参与植物生长发育，同时能够响应损伤，防御信号反应以及激活相关防御基因的表达，增强植物的抗逆性。

2.1.3 FAMT和AAMT参与的植物防御反应 FAMT催化FA（farnesoic acid）甲基化生成MeFA，由环氧化酶将MeFA转化为保幼激素JHⅢ，Yang等[47]认为MeFA通过转化为JHⅢ影响害虫发育，从而保护植物免受虫害。玉米被斜纹夜蛾危害时释放的挥发性化合物能够吸引寄生蜂在斜纹夜蛾身上产卵[4]，寄生蜂卵吸收斜纹夜蛾营养物质直至斜条纹蛾死亡，Koller等[26]在该挥发物中检测发现含有邻氨基苯甲酸甲酯，并在斜纹夜蛾幼虫取食后的玉米叶片中鉴定了AAMT的存在。

2.2 SABATH甲基转移酶参与植物挥发性物质的合成及对昆虫行为的影响

植物主要在叶表面和花器官释放挥发性物质，由于这些次级代谢物的合成很消耗植物能量，因此花香化合物一般在特定组织（花瓣、柱头、萼片）中合成。在仙女扇[29]、茉莉球兰（Stephanotis floribunda）[48]、烟草[43]等植物的花器官中鉴定出了SAMT和BAMT。

植物利用花器官散发香气吸引传粉媒介，借此来提高果实和种子产量以及影响昆虫的产卵和取食行为。有研究表明，通过外源施加MeSA可以吸引昆虫觅食，帮助植物完成授粉[49]，说明花香可作为昆虫授粉媒介和种子分散的引诱剂。蛾（Hyles lineata）参与很多植物的授粉过程，芳香酯类挥发性化合物在授粉过程中起“向导”作用，蛾通过植物释放的芳香酯类挥发物快速定位啤酒花（Clarkia breweri）的位置完成觅食和授粉，Robert等[50]在这类挥发物中发现MeSA对蛾的吸引力较强。此外，Plepys等[51]利用Y型嗅觉仪证明MeSA、苯甲酸甲酯（methyl benzoic acid，MeBA）均能吸引昆虫纹夜蛾（Autographa gammaL.）。

2.3 SABATH甲基转移酶影响植物生长发育

茉莉酸及其衍生物是拟南芥和番茄的花发育最后阶段所必需的，Stitz等[46,52]发现茉莉酸及其衍生物可以调控烟草开花，可能是JMT通过调节茉莉酸相关代谢物在烟草内含量来调控其开花过程，说明JMT与拟南芥的花穗发育密切相关。不仅如此，MeJA作为植物内源信号分子，其独特的生化性质能够快速将“信号”传递到各个组织，植物则利用酶催化JA的甲基化及去甲基化改变植物体内MeJA含量，调控种子萌发、花和果实发育、叶片的衰老和脱落等[53]。与SAMT和JMT不同，AtGAMT在拟南芥中通过将赤霉素（gibberellin，GA）甲基化生成无活性的赤霉素甲酯（methyl gibberellin，MeGA），且拟南芥中MeGA不能去甲基化生成GA。因此，AtGAMT是通过改变拟南芥中GA含量影响其生长发育[22]，如种子萌发、叶片舒展、茎伸长及果实发育等。与野生型拟南芥相比，过表达AtGAMT的拟南芥植株变得矮小，开花延迟且成簇状开花。生长素在植物生长发育过程中极为重要，IAMT通过催化吲哚乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）甲基化生成吲哚乙酸甲酯（methyl indole-3-acetic，MeIAA）影响植物体内生长素平衡、极性运输等。相关研究还发现过表达IAMT会导致拟南芥叶片向内卷起呈圆柱状[54]。

2.4 SABATH甲基转移酶其他生物学功能探索

植物中存在大量的SABATH甲基转移酶基因，大多数这些基因的生化特性还有待验证。目前，在模式生物拟南芥中共发现24个SABATH甲基转移酶基因[3,22]，其中 AtSAMT、AtJMT、AtBSMT、AtIAMT、AtFAMT、AtGAMT等6个完成了生化鉴定，剩余18个的功能还不明确。根据表达特性分析，大多数拟南芥SABTH甲基转移酶具有特定的表达模式，这可能有助于我们预测和鉴定它们的生物学功能[55]。总之，目前对SABATH甲基转移酶家族的了解还处于非常初步的阶段，仍有许多问题有待解决。首先，SABATH甲基转移酶的起源是哪里，是否还存在未被发现的结构特征？其次，SABATH甲基转移酶催化的反应在不同植物中是否有所不同？再次，SABATH甲基转移酶催化底物的决定因素是什么?最后，SABATH甲基转移酶的多样性是如何进化而来的?相信这些问题将是未来研究的重点，也是回答植物SABATH甲基转移酶基因生物学功能的关键。

3 结语

随着相关生物学技术的快速发展，越来越多的SABATH甲基转移酶被鉴定出来，但对其功能研究还在起步阶段，表达模式研究也还很少。相信随着转录组学研究的不断深入，这方面的数据会越来越翔实。最近几年，大规模基因组测序项目的兴起以及测序技术的不断改进，公共数据库中充斥了大量基因序列，相信这些数据能够帮助我们更好地发现未知的SABATH甲基转移酶基因，并为SABATH甲基转移酶催化底物多样化研究打下基础。蛋白组学和代谢组学的发展，也将为我们呈现更多关于植物SABATH甲基转移酶生物学功能的直接信息。SABATH甲基转移酶参与的植物次级代谢、信号转导途径和防御反应等生物学过程和植物的抗性形成密切相关，对这些方面的研究不仅能够帮助我们了解植物的抗病过程，挖掘更多的抗病基因，还有助于改善农作物对病虫害的抗性，最终提高农产品产量和质量。