作物中叶酸合成及生物强化研究进展

摘要 叶酸是四氢叶酸及其一碳单位取代衍生物的统称，对植物生长发育和人类健康发挥着至关重要的作用。人体本身不具备合成叶酸的能力，因此必须从膳食中获取。利用生物强化提高作物中叶酸含量是一种有效解决全球性叶酸缺乏的方法。介绍了叶酸的结构与功能、生物合成途径、叶酸的提取与检测方法，并重点阐述了不同作物中叶酸生物强化的现状，对全球叶酸强化做出展望。

关键词 作物；叶酸；生物合成；生物强化

中图分类号 Q 945  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）06-0010-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.06.003

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research Progress on Folate Biosynthesis and Biofortification in Crops

MA Yun，WANG Hong

（State Key Laboratory of North China Crop Improvement and Regulation/Hebei Sub-center of National Maize Improvement Center of China/College of Agronomy， Hebei Agricultural University， Baoding， Hebei 071000）

Abstract Folate is a collective term for tetrahydrofolate （THF） and its derivatives substituted with one carbon unit， playing a crucial role in plant growth and human health. The human body cannot synthesize folate itself， so it must be obtained from the diet. Improving folate content in plants through biofortification is an effective method to address the global folate deficiency problem. This review introduced the structure， functions， the biosynthesis pathways， and the extraction and detection methods of folate. Moreover， it focused on the current status of folate biofortification in different crops， and prospected for global folate biofortfication.

Key words Crops;Folate;Biosynthesis;Biofortification

叶酸（folates）化学名为蝶酰谷氨酸（pteroylglutamic acid，PGA），又名维生素B9，是一种水溶性B族维生素，为四氢叶酸（tetrahydrofolate，THF）及其一碳衍生物的统称。叶酸作为一碳单位的供体和受体，参与着许多重要的生物化学反应，如甲基化循环、核苷酸与氨基酸的合成等，是人体生命活动所必需的微量营养物质［1］。植物和微生物自身可以从头合成叶酸，然而人类和其他高等哺乳动物因缺乏完整的叶酸合成系统，故需要通过膳食摄取叶酸。医学研究表明，成年人每天的叶酸建议摄入量为400 μg，孕妇则建议每天摄入600 μg叶酸才能有效防止胎儿先天性畸形［2］。但目前大部分地区人口的叶酸摄入量达不到这一标准，叶酸缺乏成为影响发达国家和发展中国家的全球性健康问题之一［3］。药剂补充和作物叶酸强化是目前解决叶酸缺乏问题的两种有效途径，前者对于偏远和贫穷地区的发展中国家来说难以实现。因此，通过对作物叶酸合成代谢途径的调控来提高作物中叶酸含量，成为解决叶酸摄入不足的新兴选择［4］。该研究综述了叶酸的结构与功能、叶酸的生物合成途径、叶酸的提取与检测技术及不同作物叶酸生物强化研究进展，并对解决叶酸缺乏问题进行展望。

1 叶酸的功能

1.1 叶酸缺乏与人类疾病

维持体内一定的叶酸水平对人类健康非常重要。人体叶酸缺乏可能诱发神经管缺陷、心血管疾病、癌症和其他出生缺陷等重要疾病［5］，但产生疾病的生化原理和发育机制还尚不清楚。

神经管缺陷（neural tube defects，NTDs）是全球常见的胎儿畸形之一，其中脊柱裂和无脑畸形最为严重［6］。NTDs在全球孕妇中的发病率为0.5%～2.0%，我国是神经管畸形的高发区。我国2001—2004年NTDs发病率达0.11%［7］，在一些不发达国家的农村地区，新生儿NTDs比例可达到4.80%［8］。据一项全球性新生儿出生缺陷报告显示，世界上每年有30万名新生儿患NTDs［9］。若孕妇孕前每天服用400 μg叶酸，可降低70%的NTDs发生率［10］。另外，叶酸的缺乏还会引起一系列神经认知退行性疾病，如阿尔茨海默病和其他形式的智能障碍综合征。Ramos等［11］指出红细胞的叶酸水平与人的认知能力直接相关且与老年痴呆的发生率呈负相关，而叶酸可以通过改善甲硫氨酸代谢产物、外周血炎症因子水平及DNA甲基化途径来改善认知功能。

研究发现，血浆的同型半胱氨酸是导致心梗和心血管疾病的危险因素［12］，人体叶酸缺乏可能导致甲硫氨酸的生成受阻，进而引起血浆同型半胱氨酸浓度升高；当增加叶酸后甲硫氨酸循环又可继续进行，使血浆同型半胱氨酸浓度降低［13］。

大量研究都证实了叶酸与大多数疾病包括癌症密切相关，Choi［14］和潘慧颖等［15］发现叶酸缺乏和叶酸依赖性酶的多态性可能引起卵巢功能受损和直肠癌等癌症风险上升。

研究表明，叶酸缺乏也会对视觉系统和骨骼肌细胞产生影响，造成营养性视弱和骨骼肌发育障碍等疾病［16］。同时有研究发现，巨成红细胞贫血的疾病机制与叶酸缺乏有关［6］。因此，叶酸对于人体的生长发育是不可或缺的。

1.2 叶酸在植物中的作用

四氢叶酸（tetrahydrofolic，THF）及其衍生物作为一碳单位的供体和受体，是参与C1转移反应的重要辅酶，参与了生物体内许多重要的生命过程，如在嘌呤、胸苷酸、氨基酸及蛋白质的合成及甲基化循环等过程中叶酸均发挥重要作用［17］。在植物中，叶酸的一碳单位衍生物参与蝶啶和胸苷酸的形成以合成DNA；同时也通过参与丝氨酸、甘氨酸的相互转化以在光呼吸中发挥重要作用［18］；另外，Pribat等［19］通过研究揭示了四氢蝶呤或10-甲酰四氢叶酸（10-formyltetrahydrofolate，10-F-THF）与芳香族氨基酸代谢之间新的联系。研究发现，叶酸通过S-腺苷甲硫氨酸与甲基化过程相联系实现甲基化循环［20］，并通过甲基化循环为甜菜碱的生成提供一碳基团。此外，叶酸合成的中间代谢产物对氨基苯甲酸（p-aminobenzoate，p-ABA）的前体物分支酸可通过苯丙氨酸参与木质素的合成［21］。因此，在植物体中，叶酸对于

光呼吸以及木质素、甜菜碱、叶绿素的生物合成也发挥着重要的作用。

此外，叶酸在植物体内的新功能陆续被揭示。Lin等［22］ 、Malhotra等［23］发现叶酸分子中的蝶啶环及叶酸衍生物在依赖叶酸的光裂合酶和隐花色素辅酶作用下起光能捕获天然色素的作用。Webb等［24］研究发现，植物体内叶酸衍生物的含量及分布状况会对整个植物的甲基化循环和叶绿素合成产生影响。Storozhenko等［25］发现，叶酸含量还与氧化逆境耐受性之间可能存在某种关系。

综上所述，叶酸在植物的生长发育过程中发挥着不可替代的作用，但关于叶酸在植物体内的深入研究仍需进一步挖掘。

2 叶酸的结构与生物合成途径

2.1 叶酸的化学结构

叶酸分子由蝶啶、对氨基苯甲酸和一个单（多）谷氨酸尾（Glu）3部分组成。蝶啶与p-ABA由一个亚甲基相连，p-ABA又通过γ肽键与一个或多个L型谷氨酸相连。理论上，叶酸分子有150多种存在形式［26］，但目前在动植物组织中仅发现不到50种［27］。不同氧化水平的一碳单位（甲基、甲酰基、亚甲基等）可以在叶酸代谢相关酶的作用下连接到蝶啶的N5或p-ABA的N10位置，形成不同形式的叶酸衍生物。不同一碳取代基也可经酶促反应相互转化，用于各种代谢反应的C1基团供体［28］，在不同的代谢途径中发挥不同的功能。蝶啶环有完全氧化、部分氧化及完全还原3种形式，所对应叶酸形式分别为蝶酰谷氨酸、二氢叶酸（dihydrofolate，DHF）和四氢叶酸［27］。叶酸的化学结构见图1。

2.2 叶酸的合成途径

2.2.1 叶酸的合成。

叶酸存在于植物细胞的线粒体、细胞质、液泡和质体中，其合成代谢途径极其保守。植物和微生物中叶酸的合成途径类似，蝶啶环和对氨基苯甲酸先分别在其细胞质和质体中合成，随后二者进入线粒体，与谷氨酸组成形成完整的叶酸分子，具体的叶酸合成途径如图2所示。

在植物中，蝶啶在细胞质内以尿苷三磷酸（GTP）为底物，在GTP环化水解酶I（GCHI）的作用下生成二氢新蝶呤三磷酸（DHN-P3），DHN-P3在三磷酸二氢新蝶呤焦磷酸水解酶（DHNTP）的作用下生成二氢新蝶呤一磷酸（DHN-P），再经非特异性磷酸酶去磷酸化后生成二氢新蝶呤（DHN）。DHN经二氢新蝶呤醛缩酶（DHNA）催化生成6-羟甲基二氢蝶呤（HMDHP）并进入线粒体。接着，进入线粒体的HMDHP在HMDHP焦磷酸激酶（HPPK）的催化下生成6-羟基二氢蝶呤焦磷酸（HMDHP-P2）。对氨基苯甲酸（p-ABA）的合成是在质体中以分支酸（Chorismate）为底物开始，通过氨基酸脱氧分支酸合成酶（ADCS）催化形成氨基酸脱氧分支酸（ADC），再经氨基酸脱氧核苷酸裂解酶（ADCL）催化形成p-ABA进入线粒体。HMDHP-P2和p-ABA在二氢蝶酸合成酶（DHPS）的作用下生成二氢蝶酸（DHP）。DHP与谷氨酸（Glu）在线粒体内的二氢叶酸合成酶（DHFS）的作用下生成二氢叶酸（DHF），最后，DHF在二氢叶酸还原酶（DHFR）的作用下被还原成单谷氨酸尾的四氢叶酸（THF）［29］。

2.2.2 叶酸的多聚谷氨酸化。

线粒体内合成的THF被转运至其他细胞器中，由叶酰多聚谷氨酸合成酶（FPGS）催化更多的谷氨酸残基逐一连接到叶酸中谷氨酸的γ位，形成具有多谷氨酸尾的THF。在模式植物拟南芥中，FPGS有3种异构体，分别位于细胞的细胞质、线粒体和叶绿体3个细胞器中行使加尾功能［30］。

自然形式的叶酸主要以多聚谷氨酸形式存在，叶酸的谷氨酸链长度在1～14，其随着叶酸所处细胞或细胞器的不同而不同。单谷氨酸叶酸是叶酸转运体所偏爱的形式，多谷氨酸叶酸则是参与一碳代谢的叶酸依赖型酶所偏爱的形式［31］。多尾形式的叶酸倾向于与蛋白质结合，稳定了叶酸的状态，同时可以降低多谷氨酸叶酸被γ-谷氨酰水解酶（GGH）水解的速率［32］。在植物中，谷氨酸尾长度越长，与其结合的酶的活性就越高，如甲硫氨酸合成酶、甘氨酸脱羧酶、丝氨酸羟甲基转移酶等［27］。同时也有研究表明，多聚谷氨酸形式对叶酸的区室化和依赖叶酸的代谢过程如光呼吸、泛酸和蛋氨酸的合成十分重要［33］。多聚谷氨酸链的长度变化可能存在着一定的生理作用，但其在不同生物中存在变化的原因还尚不明确［34］。