蔬菜作物中瓜氨酸代谢调控研究进展

摘    要：瓜氨酸为非编码蛋白质氨基酸，在蔬菜作物的氮代谢和抗逆反应中发挥重要作用，且对人体具有保健功能，有较高的药用价值。通过综述蔬菜作物特别是西瓜中瓜氨酸的研究现状，对蔬菜作物中瓜氨酸的含量分布、生理功能、合成代谢、转运调控和遗传机制等方面的研究进行了分析，并对蔬菜作物中瓜氨酸的生理生化与遗传机制相关研究进行了展望，对培育高瓜氨酸蔬菜作物具有重要意义。

关键词：蔬菜作物；西瓜；瓜氨酸；代谢调控

中图分类号：S63 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2023）02-001-10

Research progress on regulation of citrulline metabolism in vegetable crops

YANG Dongdong， ZHU Hongju， ZHAO Yong， LIU Wenge

（Zhengzhou Fruit Research Institute， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Zhengzhou 450009， Henan， China）

Abstract： Citrulline is a non-coding protein amino acid， which plays an important role in nitrogen metabolism and stress resistance of vegetable crops. It also has health care function for human body and high medicinal value. This review covers the citrulline research status of vegetable crops， especially watermelon， citrulline content distribution， physiological function， regulation and control of synthetic metabolism， transport， and the genetic mechanism.citrulline physiological， biochemical and genetic mechanism of related research is also discussed. It is of great significance to cultivate vegetable crop varieties with high citrulline content.

Key words： Vegetable crops; Watermelon; Citrulline; Metabolic regulation

瓜氨酸（Citrulline），又名氨基甲酰鸟氨酸，在植物中为精氨酸合成的前体物质[1]。瓜氨酸在西瓜汁中首先被发现，分子构型为L型，故被称为L-瓜氨酸[2]，在葫芦科植物中广泛存在[3-6]。一些其他植物如核桃[7]、蘑菇、苋菜和羽衣甘蓝等[8]中也含有少量瓜氨酸。

蔬菜作物中，瓜氨酸不仅作为氮代谢途径中重要物质，同时也作为重要的抗逆物质，在逆境胁迫条件下，维持作物的正常生长[9-12]，瓜氨酸下游物质精氨酸的代谢产物多胺（PA）和一氧化氮（NO）等在植物抗逆方面也具有重要作用[13]。人体中，瓜氨酸能够清除体内的羟基，具有抗氧化、保护DNA、提高免疫力等作用[14]。同时瓜氨酸在治疗男性功能障碍、精氨酸缺乏症以及促进人类肌肉运动和恢复等方面中也具有重要作用[15-19]。

目前，瓜氨酸可进行商业化生产，主要是由特殊的微生物菌株发酵生产[20]。虽然菌株发酵生产瓜氨酸产量高于植物生产，且更加经济，但蔬菜作物中除瓜氨酸以外还含有其他营养物质，相对于商业发酵生产的瓜氨酸，蔬菜中瓜氨酸更天然且更易摄取。因此，研究分析蔬菜作物中瓜氨酸的合成积累机制及发掘调控瓜氨酸合成关键酶和酶基因具有重要意义。笔者对西瓜等蔬菜作物中瓜氨酸的研究进展进行了综述，提出目前蔬菜作物中瓜氨酸研究存在的问题并进行了展望，旨在为蔬菜作物中瓜氨酸的深入研究提供参考。

1 瓜氨酸在蔬菜作物中的含量分布

瓜氨酸在蔬菜作物中广泛存在，如西瓜[3]、栝蒌、南瓜、冬瓜、丝瓜、苦瓜[4]、甜瓜[5-6]、鹰嘴豆、洋葱、蘑菇等[8]中均含有瓜氨酸。相较于其他蔬菜作物，在葫芦科作物如西瓜[3]、甜瓜、南瓜、丝瓜、苦瓜等[4-6]的果实中被认为含有大量的瓜氨酸，它们的其他器官如叶、根、茎、种子等[6]中也含有瓜氨酸，且瓜氨酸的含量具有组织特异性，不同组织含量存在显著差异[6，21-22]，这表明瓜类种或亚种形成及驯化过程中可能存在一些进化保守的调控因子。不同葫芦科植物果实中瓜氨酸含量存在显著差异[6]。Davis等[23]研究表明，西瓜果实鲜样中瓜氨酸含量可达7.21 g·kg-1，而部分葫芦科植物果实中瓜氨酸含量水平较低甚至不含有瓜氨酸，如黄瓜中瓜氨酸含量约为西瓜中的1/10[6]，直颈黄南瓜中没有检测到瓜氨酸[24]。

相比较于其他葫芦科作物，西瓜中的瓜氨酸含量最高[5，25-27]。不同品种的西瓜果实中瓜氨酸含量存在差异，且均受生态环境影响，受环境影响的程度也有差异[3，23，28]。西瓜中瓜氨酸含量与西瓜倍性和瓤色的关系一直被关注，Rimando等[29]研究发现，三倍体西瓜果实中瓜氨酸含量高于二倍体，黄、橙色瓜瓤的西瓜瓜氨酸含量高于红瓤；李蒙蒙等[30]研究表明，西瓜瓜氨酸含量与果肉颜色有关；万学闪等[27]研究表明，二倍体西瓜果实瓜氨酸含量为白瓤>黄瓤>红瓤；刘文革等[31]研究发现，不同倍性西瓜果实中瓜氨酸含量为三倍体>四倍体>二倍体。而Davis等[32]研究表明，瓜氨酸含量与西瓜倍性不相关，因为同源三倍体与二倍体和其诱导的同源四倍体亲本的瓜氨酸含量没有显著差异。但研究者均未进一步针对不同倍性西瓜中瓜氨酸含量差异的深层机制进行深入研究。综上可以看出瓜氨酸含量与西瓜品种、倍性、瓤色、环境等存在着相关关系。

2 瓜氨酸在蔬菜作物中的运输及分配机制

2.1 韧皮部与瓜氨酸转运

植物韧皮部运输是水分、营养物质和其他光合产物长距离分配的关键途径，在植物发育过程中和恶劣环境下从源组织到库组织的物质运输中发挥作用[33]。许多研究结果表明，瓜氨酸可能参与韧皮部长距离运输，如桦木[34]、核桃[35]、南瓜属[36]和褐藻[37]等已被证明在韧皮部分泌物中运输大量瓜氨酸。甜瓜叶片的韧皮部汁液中在光周期的光照早期会积累大量瓜氨酸，在暗期瓜氨酸水平显著下降[38]，表明瓜氨酸可能通过韧皮部从源运输到库；Joshi等[39]也发现，瓜氨酸可能在西瓜其他器官合成并通过维管系统长距离运输到果实。一些参与瓜氨酸代谢的基因表达的研究也表明，瓜氨酸可能参与蔬菜作物韧皮部长距离运输。如西瓜韧皮液中乙酰鸟氨酸脱乙酰基酶基因（Cla016179）的表达量比维管组织中高约35倍，且乙酰鸟氨酸去乙酰化酶基因（Cla016181）在伴胞中也有表达[40]，瓜氨酸合成酶OTC（鸟氨酸氨甲酰转移酶）和（氨甲酰磷酸合成酶）CPS（大亚基：Cla005591和小亚基：Cla022915）基因在果实维管、果肉和果皮组织发育中均有表达，且在果皮和果肉的整个发育过程中，OTC基因表达稳定，而精氨酸琥珀酸酶基因（Cla022154）和精氨酸琥珀酸合酶基因（Cla019267，Cla002609）的表达下调，瓜氨酸水平升高，且分解代谢酶基因的下调主要发生在果肉组织中[40]；其他研究表明，果实发育过程中，果肉中参与瓜氨酸分解代谢的精氨酸琥珀酸裂解酶基因（Cla022154）和精氨酸琥珀酸合酶基因（Cla002609，Cla019267）下调，相应果皮中瓜氨酸含量增高，而参与瓜氨酸合成的N-乙酰鸟氨酸转氨酶基因（Cla015337）和N-乙酰谷氨酸合成酶基因（Cla014036）在果实发育过程中仅在果皮组织中逐步上调[41-42]。综上表明，西瓜等蔬菜作物果实中瓜氨酸含量的积累可能是瓜氨酸在叶片、果皮等部位合成并在果实成熟过程中由韧皮部维管转入果肉中，在多种参与瓜氨酸合成和分解酶的协同调节下维持一定的浓度。

2.2 转运蛋白与瓜氨酸转运

氨基酸通过韧皮部和木质部的长距离运输由膜结合转运蛋白的装载和卸载活动介导[43]。氨基酸转运蛋白（AAT）在高等植物中介导氨基酸跨细胞膜的转运、长距离转运以及植物对生物和非生物胁迫的反应[44]。拟南芥中转运蛋白AAP3和AAP5在碱性氨基酸如精氨酸的高效转运中发挥作用[45]，其中AAP5的调控基因（At1g44100）在许多组织中表达，介导根中碱性氨基酸的吸收[39，43]，而AAP3的调控基因（At1G77380）主要在根和韧皮部中表达，可能促进韧皮部的装载[46]。瓜氨酸也属于碱性氨基酸[47]，可能由这些转运蛋白转运到植物体各个部位。目前还没有针对蔬菜作物中AAP3和AAP5基因开展研究工作。

拟南芥L-鸟氨酸跨膜转运蛋白/线粒体载体家族蛋白BAC1（AT2G33820）和BAC2（AT1G79900）可转运碱性和中性氨基酸，其中BAC2显示出L-瓜氨酸转运的特异性[48]，且BAC1和BAC2在大多数器官中组成型表达，在花朵和果实中也有较高的表达[49]。在与拟南芥BAC2基因具有高度同源性的两个西瓜基因中，BAC2-like基因Cla012675在韧皮部特异性表达，其转录仅在果皮组织，而Cla015439的表达相对较低，仅存在果肉和果皮组织[39]，这些基因的差异表达表明，它们可能在西瓜中参与瓜氨酸转运，这与拟南芥BAC2基因在胁迫和衰老过程中被诱导的结果一致[50]。在药西瓜干旱胁迫的叶片[51]和栽培西瓜的根[52]中的研究表明，Cla012675基因对瓜氨酸具有高度特异性，可能在非生物胁迫或衰老期间的蔬菜作物根部或叶子中转运瓜氨酸。目前尚无西瓜中BAC1和BAC2直系同源物亚细胞水平的研究。但有研究表明，瓜氨酸在质体中合成，预测质体膜上的蛋白质具有输出瓜氨酸的能力[39]。综上表明，对瓜氨酸的转运蛋白进行研究非常重要，目前蔬菜中转运蛋白在瓜氨酸转运中的作用、底物特异性、组织特异性和发育调节以及亚细胞定位尚不清楚。但对瓜氨酸生物合成和分解代谢相关的转录产物进行研究可能是寻找蔬菜作物候选瓜氨酸转运蛋白的一种有效方式。

2.3 渗透酶与瓜氨酸转运

部分氨基酸渗透酶在瓜氨酸转运中发挥重要作用，如来自蓖麻子的氨基酸渗透酶基因（RcAAP3）已被克隆[53]，其特异性介导酵母转运突变体中瓜氨酸的摄取，对瓜氨酸具有高亲和力；水稻AAPs家族中OsAAP1和OsAAP3运输中性和带正电形式的碱性氨基酸，包括精氨酸和瓜氨酸[46]，与精氨酸相比，OsAAP1对瓜氨酸表现出更高的亲和力，可能在瓜氨酸的运输中发挥作用，亚细胞定位表明，洋葱和拟南芥中OsAAP1和OsAAP3定位于质膜，在洋葱表皮细胞或在拟南芥中稳定表达[46]；西瓜基因组中发现了2个拟南芥AAP3/5-like序列的直系同源物，西瓜氨基酸通透酶基因（Cla023187和Cla013912）与拟南芥氨基酸渗透酶具有88%的同源性，与蓖麻的AAP3具有80%的同源性，与水稻AAP1具有60%的同源性[39]，对瓜氨酸具有高亲和力；前人研究发现，在西瓜成熟期间，氨基酸通透酶基因Cla023187和Cla013912在果肉和果皮组织中显著持续下调，这2种酶基因还可能选择性地允许瓜氨酸在叶片和根部积累，因为它们在野生西瓜干旱胁迫的叶片[51]和栽培西瓜干旱胁迫的根[52]中显著上调。综上所述，蔬菜作物中瓜氨酸可能受到瓜氨酸特异性氨基酸渗透酶的调节。

3 瓜氨酸在蔬菜作物氮代谢过程中的作用

植物中有机氮的运输主要是通过氨基酸形式，富含氮的精氨酸和瓜氨酸可能是内源性氮储存和运输的重要部分[54]，可作为主要可溶性氮产物、木质部汁液中固氮含量的主要产物[55-57]，瓜氨酸能改变木质部汁液中的氮营养、根瘤活性和含氮化合物的转运水平[58]，在氮供应中断胁迫[59]以及外界补充氮含量的条件下参与内部氮素贮存中发挥重要作用[60-64]。在蔬菜作物如葫芦科物种中，瓜氨酸是有机氮含量的主要载体[65]，在黄瓜开花期间，叶片和子房中检测到约占总氨基酸含量1/3的瓜氨酸，并通过木质部移动[66]。前人研究发现，爱尔兰苔藓内存在高浓度瓜氨酸-精氨酸二肽，以补充硝酸盐或氨，占氮储备的一半[67]，但在蔬菜作物中，瓜氨酸大多以游离形式单独存在，目前在蔬菜作物中还未发现瓜氨酸与其他氨基酸结合存在。综上所述，瓜氨酸在蔬菜作物氮代谢过程中发挥了重要的作用，但是具体作用机制尚不清楚。