综述 | Trends Plant Sci.：羟基肉桂酸酰胺：植物保护性代谢物的结合物
编译：张方博，编辑：Tracy、江舜尧。
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芳香族单胺类和脂肪族多胺（PAs）是植物响应胁迫环境时合成的物质，且在植物防御方面也具有调节作用。胺与羟基肉桂酸（HCA）发生共轭反应生成HCA酰胺（HCAAs），共轭物具有两种化合物的性质，共轭反应可降低代谢物的极性，并有利于转运，稳定性和分隔性。最近的代谢组学研究发现HCAAs是植物-病原菌相互作用过程中的生物标志物，在防御中起功能性作用，共轭产物可能有助于调节羟肉桂酸的动态代谢库。本综述介绍了芳香胺（AAs）和PAs在应激代谢中的发生、与HCAs的结合以及HCAAs在宿主防御中的作用，并重点讲述了它们参与过氧化氢（H2O2）的生产和细胞壁的强化的过程。
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内容
1. 植物胺：普遍存在的生物分子
在大多数植物细胞中都能发现广泛的生物胺化合物。胺通常是由氨基酸的脱羧或醛类的转氨作用生成的，它们可以以游离或共轭的形式存在，具有与前体化合物及其衍生的结合物有关的各种生物学活性，植物细胞的胺含量对发育和环境信号具有高度的响应性。在这篇综述中，我们总结了胺类代谢物包括PAs和AAs的最新研究进展，并探讨了对HCAs共轭物生理和生物化学的认识和理解的进展，以及HCAAs在植物-病原体相互作用和生物胁迫反应中的功能作用。
PAs是一类含有两个或两个以上氨基的低分子量脂肪族烷基胺分子。这些分子具有强大的生物活性，广泛分布于所有生命圈层，腐胺、亚精胺和精胺是PAs中最重要的物质，在活跃增殖的组织中尤其丰富；脂肪族PAs可细分为二胺、三胺和四胺。除了广为人知的PAs，植物胺类还包括更复杂的分子，这些分子在各自的化学和物理特性方面有所不同（图1），最常见的原子吸收光谱包括章鱼胺、多巴胺、去甲肾上腺素、血清素、色胺和酪胺（图1），这些物质已经在不同植物物种中有了较为详细的记录。其他研究较少的具有独特化学特征的分子，如异丁基酰胺和含硫酰胺，也有文献报道，但仍局限于某些特定的植物物种，与包含伯胺官能团并具有更强亲水性的脂族胺相反，AAs缺乏强电离性官能团，并且大多数在其化学结构中包含具有疏水特性的芳环（即芳基烷基胺）。
在植物中，PAs和AAs不仅局限于细胞质中，而且还存在于细胞的小区室中，包括线粒体、液泡、叶绿体和细胞核。在真核细胞中，这些胺的细胞内稳态水平受到严格调控，以满足任何特定时间的需求；严格控制细胞含量是必要的，因为化合物的耗尽或过度积累可能会对细胞内稳态产生有害影响。PAs和AAs的有效浓度是通过几个复杂的过程来维持的，比如合成、分解代谢、分隔、相互转化、化学变化和细胞内的分布。
PAs的生物合成途径已经在许多动物、植物和细菌有机体中进行了广泛的研究和描述，并显示出某种程度的相似性。简单地说，PAs的合成是通过精氨酸或鸟氨酸的脱羧作用开始的，由精氨酸或鸟氨酸脱羧酶(ADC,ODC)的酶作用分解，从而产生二胺腐胺，鸟氨酸在经过几个中间步骤后由谷氨酸产生，与精氨酸一起形成尿素循环的一部分。在生物合成途径中，这一汇合点的存在可能与ADC和ODC酶的不同定位有关，从而创造了利用不同上游信号输入来应对环境胁迫的机会。在烟草叶绿体和细胞核以及拟南芥叶绿体和细胞质中研究者发现了ADC的双重亚细胞定位；叶绿体内部，ADC酶定位于类囊体膜中，ODC酶则位于染色质相关的细胞核中，从而使植物形成了紧密的调控过程。胍丁胺分子是前文所述的ADC反应的中间体，腐胺是由胍丁胺亚氨基水解酶（AIH）和N-氨基甲氨酰腐胺氨基水解酶（CPA）的两步酶反应产生的，然后，通过亚精胺合酶和亚精胺合酶的顺序作用，腐胺被转化为三胺亚精胺和四胺亚精胺。这些反应需要将游离氨丙基分别加到腐胺和亚精胺上，并使其顺序结合，供体氨丙基是S-腺苷甲硫氨酸（SAM）在SAM脱羧酶（SAMDC）的作用下进行脱羧反应的副产物。
在AAs的生物合成过程中，涉及到几种底物特异的脱羧酶。酪氨酸脱羧酶(TYDC)和色氨酸脱羧酶(TDC)分别催化酪氨酸和色氨酸转化为酪氨酸和色氨酸(一种吲哚生物碱)，而血清素是通过3,4-二羟基-L-苯丙氨酸（多巴）脱羧酶/ TDC的作用合成的。这些芳香氨基酸脱羧酶(AADCs)是II型吡哆醛磷酸盐依赖性脱羧酶(PLPDC)，对生物和非生物响应灵敏，其中PLPDC酶的主要作用之一似乎是通过控制植物次生代谢物的产生来缓解胁迫。
从功能上讲，PAs和AAs在调节细胞质pH、平衡碳/氮水平以及防御和保护生物和非生物胁迫方面具有共同的作用。PAs被描述为生长、生存和特殊代谢的一种普遍的“分子联系”，这些分子在植物生理过程中的作用在各种发育过程中都有报道，包括器官发生、胚胎发生、花的萌生和发育、叶片衰老、果实的发育和成熟，以及对生物和非生物胁迫的反应中的活性功能。植物中PAs对非生物胁迫的响应,以及对植物体内部的调控功能已有很多研究和综述。
2. 保护伙伴：PAs作为阳离子分子
在生理pH下，PAs的典型结构在胺官能团的氮原子上带着许多正电荷，产生一种相当于一个或两个钙或镁原子的聚阳离子性质，电荷沿碳主链的空间分布将PAs与胞内二价阳离子上的点电荷区分开来。这种独特的性质使PAs能够通过氢键和离子键以及静电和疏水作用与细胞环境中存在的阴离子大分子相互作用，从而导致这些分子的稳定或不稳定。PAs与核酸、蛋白质和磷脂的结合导致静电稳定，尤其是在胁迫条件下，一项研究强调了PAs对核酸净化的抑制作用，以及对随后过程中tRNA和核糖体的保护能力。除了这种直接的保护作用，PA与染色质结合影响基因组位点对DNA/RNA聚合酶的生物利用度；PAs还会影响细胞膜的通透性，并可能引起各种蛋白质功能的改变，此外，一些蛋白激酶酶被证明在转录或翻译后水平上被PAs调节。
3. 与植物防御的联系：过氧化氢的产生和氧化还原平衡
有效的植物防御依赖于复杂的网络和多层的应力感应。活性氧（ROS）的产生和ROS清除之间的微妙平衡被不同类型的应激因素所打破，从而引发有针对性的调节性反应，H2O2作为一种活性氧，它来源于超氧自由基（O2-），然后又产生羟基自由基（OH-）。已有证据表明，在ROS中，H2O2在细胞内最常见，这是一种分子半衰期适中的分子，可以在大多数细胞区室中找到，而H2O2在协调生物化学过程和协调植物在逆境中的防御过程中起着多方面的作用，通过介导细胞内和系统性信号传导系统来提高植物抗逆性；此外，H2O2的可扩散性使得分子可以轻松地穿过生物膜，这加强了其参与的论据。在较低的细胞水平上，H2O2充当信号分子，通过直接参与信号级联反应介导一系列胁迫应答，从而在受损细胞以及未受影响的邻近细胞中产生信号分子，例如一氧化氮（NO），脱落酸（ABA），水杨酸（SA）以及Ca2 +。
自由形态的PAs可能在调节细胞ROS浓度中扮演两个矛盾的角色:作为ROS生物合成的来源和自由基清除化合物。胁迫诱导的PAs和ROS积累的平衡是调节细胞氧化还原平衡和植物对环境胁迫适应性反应的关键因素。氨氧化酶（AOs）可使PAs氧化脱氨，其中包括含铜氨氧化酶（CuAOs）和FAD依赖性PA氧化酶（PAO），PAOs以FAD依赖的方式催化亚精胺和精胺的氧化及其乙酰化形式,而CuAOs对腐胺和尸胺氧化表现出强烈的偏好，对亚精胺和精胺的亲和力降低。PA氧化生成相应的氨基醛，同时生成H2O2和NH3；PAs的分解代谢导致细胞内和胞外H2O2浓度升高；PAs在PA循环中进行快速交换，在PA循环中，各种生物合成和反转换循环导致H2O2的释放。
H2O2作为AO催化反应的产物之一，在应激诱导反应中发挥着重要的生物学作用。AO介导的质外体和细胞壁中H2O2的生物合成与伤口愈合和触发过氧化物酶介导细胞壁增强抵御病原体攻击的反应有关；此外，H2O2在病原菌侵染过程中起着多方面的作用；在寄主植物防御策略的早期研究中，H2O2是氧化爆发（快速和瞬时产生高浓度活性氧的过程）所需自由基产生的前体；从结构的角度来看，H2O2参与了细胞壁硬化（细胞壁单体的木质化和交联）；H2O2的增加可能还参与了植物抗毒素产生的信号传导，增强对胁迫的抵抗力，以及通过直接接触或诱导下游细胞相关防御基因限制感染而导致病原体死亡有关；H2O2也被认为是一个关键分子，参与了致宿主细胞局部死亡的超敏反应（HR）的启动，通过消除受损的宿主细胞并限制进一步的病原体感染，利用该机制来实现植物免疫。
一项利用Blumeriagraminis f. sp. hordei感染大麦诱发超敏反应（HR）的研究表明，该过程可能是由于PAs分解代谢的增加与DAO和PAO活性的增强有关，而对突变体植物的分析和转录谱分析揭示了ABA和腐胺之间的联系，作为一种正反馈机制，每个生物分子在胁迫条件下相互促进对方的生物合成，从而提高整体防御能力。除了在非生物胁迫响应中的作用外，ABA在植物防御中也起着多方面的作用，在ABA介导的胁迫响应中，PA和ROS的产生与信号传导之间存在相互作用。上述过程表明，在生物胁迫下，PAs的细胞水平由H2O2、ABA和PAs三组分的反馈回路调节，各组分的合成/降解串扰都会导致其他组分的改变。
4. 复杂的伙伴关系：生物活性胺与HCAs的共轭反应
虽然PAs和AAs以自由分子形式出现，但也可能以共轭形式与其它小分子(如酚酸)结合，或以结合形式与大分子或细胞结构结合。与HCAs相比，脂肪族PAs是极性亲水性化合物，其特点是分子结构中存在芳香环和C3不饱和侧链而具有亲脂性。细胞内很大一部分的PA物质是以单取代酚酸、双取代酚酸或三取代酚酸（如对香豆酸、咖啡酸和阿魏酸）的结合物，在脂肪族PAs中，一个或两个伯氨基以及亚氨基可能与不同的酸相互作用，从而生成单、二或三取代酰胺衍生物，称为HCAAs，HCAAs也被称为苯酰胺或苯酚酰胺，在高等植物中已有较为深入的研究，HCAAs是次级代谢产物中数量和种类都很丰富的组成部分，在许多植物类型中都有报道，例如，烟草、龙葵、番茄、沙枣、小麦、高粱等，此外，HCAAs是由作用于PAs或AAs的游离胺基上的诱导型羟肉桂酰基转移酶（HCT）酶和通过早期苯基丙烷途径合成的HCA生成的辅酶A的硫酯衍生物产生（图2），PA与酚类化合物的结合显著降低了产生的代谢物的极性，并可能有助于HCAAs的整体易位、稳定性和区域化。HCAAs还被认为是PA和AA代谢的最终积累产物，或是调节双亲成分代谢池的细胞储存形式，HCAAs一经合成，可通过多药物和毒素挤出(MATE)转运蛋白的作用分泌到外体间隙。
最近对植物感染或抗病诱导剂处理后植物代谢组动态变化的深入分析表明，HCAAs是活跃、定向防御代谢的生物标志物。一项非靶标代谢研究发现，腐胺和酪胺结合物可能是由卵菌疫霉感染引起的马铃薯晚疫病的潜在生物标志物，此外，对小麦响应禾谷镰刀菌的代谢组学研究发现了RR代谢物，瓜丁胺酰基和腐胺酰基。番茄响应青枯菌（Ralstoniasolanacearum）的代谢组学也分析发现，腐胺、酪胺和血清素偶联物在番茄的叶子、茎和根组织中迅速累积；紫丁香假单胞菌浸润后，番茄中检出章鱼胺和去甲肾上腺素衍生物。一项后续研究强调，过表达酪胺N-HCT酶的转基因番茄植株表现出HCAAs浓度的增加，并对紫丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）表现出更强的耐受性；在拟南芥中，香豆素在体外积累以应对感染P. infestans，这表明其生物合成和分泌是非宿主抗性化学防御的一部分。最近，一项非靶标代谢组学研究表明，高粱在感染伯克霍尔德菌（Burkholderia andropogonis）和炭疽菌（Colletotrichumsublineolum）后，苯丙素衍生化合物和HCAAs阿魏酰血清素和胍丁胺酰基参与了防御反应，同样，还有一些研究表明在病原菌感染或食草动物侵害期间，HCAA作为生物标记在植物组织中积累。上述内容需要注意的是，代谢组学是一门数据驱动的科学，在这些共轭物质的功能可以被完全概念化之前，还有很多内容有待发现。
图2 多胺和芳香胺与羟基肉桂酸的共轭反应
上图:HHCA衍生物与脂肪胺和芳香胺的共轭反应在植物中合成HCA酰胺（HCAAs）。这些反应是由生物系统中存在的各自转移酶催化的。下图:HCAAs的氧化聚合可发生在HCA部分芳香环的第5位，从而在两个分子之间形成醚键（用粗体表示），从而产生共价交联的二聚体。
除了上述的HCA偶联物，也有研究报道了在水稻中苯甲酸可以偶联PAs,以响应细菌侵染，而诱导产生的HCAAs包括苯甲酰色胺、肉桂酰基、对香豆酰基、阿魏酰基、苯甲酰血清素、肉桂基、苯甲酰酪胺、阿魏酰胍丁胺和阿魏酰腐胺。此外，该研究证明了前面提到的HCAAs表现出的对水稻旋孢腔菌（Cochliobolus miyabeanus）和水稻白叶枯病菌（Xanthomonas oryzae）的抗菌活性，病原菌侵染时HCAAs的快速积累，以及上述的抗菌活性，表明这些化合物可以作为植物防御素。有研究表明，紫外光照射水稻可显著产生肉桂基色胺、香豆素5-羟色胺和黄酮樱花素等植物防御素；在抗菌活性测试中发现，紫外诱导的HCAAs能抑制各种真菌和细菌病原菌的生长，其中复方肉桂酰色胺对稻平脐孺孢菌（Bipolaris oryzae）的抑制作用尤为显著，一项类似的研究也表明外源施用茉莉酸可以促使番茄迅速地产生咖啡酰腐胺。本文重点探讨了通过茉莉酸信号通路激活调控内源性激素水平的转录，增强次生代谢物的合成，此外，这项研究进一步指出了一个可能的联系，即HCAA的积累是由几种植物激参与调节的，以应对生物胁迫，然而，关于PAs和AAs的积累和胞内流动的控制以及与HCA酚类化合物的结合以及在多大程度上受应激相关激素和相关转录因子的调控，目前还知之甚少。
一些已发表的文献描述了PAs在发育过程中以及对非生物胁迫的反应中的发挥的功能作用，然而，缺乏PAs/AAs和共轭物在植物-病原菌相互作用中的作用的研究。前面提到的例子，在植物对病原侵略的防御反应中，HCAAs作为标志性生物标志物已经得到了很好的证明，HCAAs在不同植物-病原菌相互作用系统中积累的共通性证明了其在植物防御中的作用，然而，多年来的研究一直很难将HCAAs合成与植物-病原体相互作用过程以及伴随的细胞和质外体作用之间建立可能的联系。
5. 强化屏障：细胞壁结构的交联
碱性和芳香族HCAAs与细胞壁的结构聚合物（如纤维素、半纤维素、果胶、木质素、苏贝林）形成酯键并形成桥接二聚体的能力有助于形成复杂的交联键。形成细胞壁硬化的过程有几个方面与细胞壁弹性的降低、细胞伸长的终止以及细胞发育和生长的停止有关，这种权衡也为防止水分流失提供了一个屏障，同时也提高了对物理、化学或酶分解的抵抗力。
细胞壁中存在的AAs可能是初生细胞壁强度和刚性的必要成分。这可以通过与细胞壁的不同成分交联直接发生共轭反应，或是通过质外体中的分解代谢导致H2O2浓度增加而实现（H2O2是细胞壁中过氧化物酶同工酶的底物）。此外，研究者们在马铃薯块茎伤口周皮中发现了醚连接的阿魏酰胺（特别是阿魏酰酪胺和阿魏酰章鱼胺），推测这些化合物的合成和整合在创伤和病原菌攻击的早期反应中起着直接的作用；一项类似的研究在马铃薯块茎病变中也分离出各种阿魏酸酰胺共轭物以及交联阿魏酰酪胺二聚体（图3）。
6. 酚酰胺：防御潜力和启动的生物标志物？
最近的几项研究报告了植物在应对病原体攻击时PAs和AAs含量会提高。但是，除了在压力条件下维持生理和细胞功能外，PA和AA水平升高的潜在生化和功能原因还不清楚，有人认为，在这种情况下，这些分子功能可能包括抗氧化特性和RO解毒作用；在转基因植物中，SAMDC基因的过表达或外源PA处理会提高PA的水平，但是会在细胞内和细胞外都观察到ROS积累的减少。上调的PAs浓度与抗氧化作用相关，包括PA氧化酶，以减少ROS负荷，从而提供对各种应激源的广谱耐受性；此外，芳香族氨基酸的脱羧反应是一种生理过程，主要作用于初级代谢和次级代谢之间的界面，旨在产生AAs作为应激调节和防御物质，总之，这些化学事件可以看作是宿主有效抗性过程的反映(图4)。
图4 植物-病原菌相互作用过程中植物细胞中羟基肉桂酸酰胺（HCAAs）的功能
HCAAs与最初的前体分子[多胺（PAs）、芳香胺（AAs）和HCA酚类]一起在细胞内合成，随后通过质膜运输到质外体空间进行利用。抗菌次生代谢物的分泌对于控制病原菌的入侵具有重要意义。质子过氧化氢可能参与腐胺信号传导。缩写：CuAO，含铜胺氧化酶；PAO，PA氧化酶；ODC，鸟氨酸脱羧酶；ADC，精氨酸脱羧酶。
植物正常化学稳态的扰动也可能与启动现象有关。植物启动（敏化或预处理）是一种适应性策略，是指植物处于一种增强的生理状态，以提高对各种生物和非生物胁迫条件或其组合胁迫的防御能力，这一现象可以作为一种对先前环境经历的反应而自然产生的留存记忆，这种环境经历可以在未来应对可能面临的环境胁迫时起作用。随着对这种刺激的感知，植物发生代谢变化进入所谓的启动状态，这种高度的准备状态会导致更强和更协调的防御反应，从而使植物能够更有效地应对二次胁迫。植物积累更高水平的HCA衍生物，有可能使其对随后的侵染产生更快、更强和更持续的防御反应，PAs和AAs在植物逆境代谢中复杂的相互交织的功能作用似乎也与启动有关，而腐胺用于诱导植物对抵抗病原菌也有报道。外源性PAs，尤其是腐胺，诱导了拟南芥中与微生物相关分子模式（MAMP）触发免疫（MTI）激活相关的防御反应，例如ROS的产生，胼胝质的沉积，以及防御相关标记基因的转录上调。结果表明，腐胺通过产生ROS增强植物的防御反应，从而增强对细菌病原菌紫丁香假单胞菌的抗性，但启动状态的诱导也可能导致PAs、AAs、HCA酚类和HCAAs的产生。在一项代谢组学的研究中，研究者们用不同的化学试剂（苯并噻二唑，壬二酸和核黄素）刺激烟草细胞，然后对已知植物激素诱导的反应进行了代谢谱比较。结果表明几种来自苯丙烷途径的代谢物以及PA和AA共轭物可以作为烟草细胞启动的判别性生物标志物。对于启动过程中HCAs共轭物的累积，可能的原因是预合成的和新合成的防御相关代谢物和处于准备状态的相关偶联物之间的相互转化联系，于是有一篇文章中提出了这样一个问题：代谢物中是否确实储存和处理了关于对变化环境的感应、印迹和启动反应的信息？
结论
现有关于植物生物胁迫反应的文献主要集中在PA和AA类的个体代谢物上，而忽略了HCAA共轭物方面的数据。HCAA共轭物不仅连接了两种不同类型的植物防御物质，还涵盖了初级代谢物和次级代谢物，目前的研究表明HCAA共轭物是植物-病原体相互作用过程中的生物标记物，科研人员还在进一步明确这类共轭物所起的具体作用。PAs在植物-病原菌相互作用过程中具有多种功能，并通过质体中的转运和分解代谢产生H2O2促进防御反应，后者有其自身的一些作用，如直接消除病原体并协助诱导HR，协助细胞壁强化，传递下游防御机制，以及提醒邻近未受影响细胞。PAs和AAs通过与HCA酚类化合物结合，形成HCAAs，即具有自由基清除能力的分子，具有抗菌活性，并可作为二聚产物沉积到细胞壁（类似于游离HCA）；此外，共轭作用可作为调节细胞内PA、AA和HCA浓度的调节储存机制，并通过逆转反应，在入侵或受伤部位迅速释放防御分子。
在这篇综述以诱导防御反应为重点，为PAs、AAs和相关酚共轭物的生物化学提供了一个清晰的框架，并强调了HCAAs在植物-病原体相互作用过程中可能发挥的功能作用。如前所述，代谢组学是一门以数据为驱动，产生假设的学科（见突出问题），但它正在发展成为一门综合的系统科学。基于近期以及未来的研究进展对HCAAs的基本理解，将揭示两类保护分子（PAs和HCAs）是如何以共轭形式用于植物防御的新见解，以及其中的细微差别，这将有助于更深入地了解胁迫下的代谢过程。