外源硒对百部生物碱合成关键酶活性的影响

引言：百部生物碱作为百部属植物的核心次生代谢产物，具备显著的药用价值，其生物合成过程受多类关键酶的协同调控。硒作为植物生长发育所需的微量元素，可通过参与细胞代谢信号传导、氧化还原平衡调节等途径，对植物次生代谢网络产生深远影响。

一、百部生物碱合成途径及关键酶系统

在百部生物碱合成的前体生成阶段，鸟氨酸脱羧酶（ODC） 与赖氨酸脱羧酶（LDC） 是关键调控酶。ODC 可催化鸟氨酸脱羧生成腐胺，LDC则能促使赖氨酸脱羧转化为尸胺，而腐胺与尸胺作为多胺类物质，是百部生物碱合成的重要前体分子。进入中间产物转化阶段，腐胺N-甲基转移酶（PMT） 与细胞色素 P450 单加氧酶（CYP450） 成为核心催化酶。PMT能够催化腐胺发生N-甲基化反应，生成N-甲基腐胺，该反应是百部生物碱合成途径中的关键分支点，直接决定了代谢流向生物碱合成方向的分配比例。CYP450 作为一类多功能酶，可通过催化羟基化、环化等反应，将简单的前体衍生物转化为结构更为复杂的生物碱中间产物，其酶活性的高低直接影响中间产物的转化效率。在终产物合成阶段，甲基转移酶可通过催化甲基基团的转移，对生物碱中间产物进行甲基化修饰，改变生物碱的化学性质与生理活性；酰基转移酶则能催化酰基基团与生物碱中间产物结合，形成酰基化生物碱，进一步丰富百部生物碱的种类与结构多样性。

二、外源硒对植物次生代谢的调控机制

（一）参与细胞氧化还原平衡调节

硒在植物细胞内可通过形成硒代半胱氨酸、硒代蛋氨酸等含硒化合物，参与谷胱甘肽氧化还原系统的构建。谷胱甘肽（GSH）作为细胞内重要的抗氧化物质，其氧化态（GSSG）与还原态（GSH）的比例是衡量细胞氧化还原状态的关键指标。外源硒的介入可调节谷胱甘肽还原酶（GR）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）等酶的活性，促进GSSG 向GSH 的转化，维持细胞内还原型谷胱甘肽的高比例水平，从而降低细胞内活性氧（ROS）的积累量。细胞内ROS 水平的变化对次生代谢关键酶活性具有显著影响。适度的ROS 可作为信号分子激活次生代谢相关基因的表达，进而提高关键酶活性；但过量的ROS 会对酶蛋白的空间结构造成破坏，导致酶活性下降甚至失活。

（二）调控代谢信号传导通路

硒可通过影响植物体内激素信号与代谢信号的传导，间接调控次生代谢过程。在激素信号层面，外源硒可调节生长素（IAA）、细胞分裂素（CTK）、茉莉酸（JA）等植物激素的合成与分布。在代谢信号层面，硒可参与植物体内碳氮代谢的调节，改变碳氮代谢产物的分配比例。百部生物碱的合成以氨基酸为前体，而碳代谢产生的丙酮酸、乙酰辅酶A 等物质可为氨基酸合成提供碳骨架。外源硒可能通过提高碳代谢关键酶（如磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶）的活性，促进碳骨架向氨基酸合成方向流动，增加前体氨基酸的供给。

（三）影响酶蛋白结构与功能

硒可通过与酶蛋白中的特定氨基酸残基结合，或通过调节细胞内金属离子（如 Fe²⁺ 、 Cu²⁺ ）的浓度，影响酶蛋白的空间结构与催化功能。部分次生代谢关键酶（如CYP450）的活性依赖于特定金属离子的辅助，外源硒可通过竞争结合或协同作用，调节细胞内金属离子的平衡，进而影响酶的活性中心构象。

三、外源硒对百部生物碱合成关键酶活性的具体影响

（一）对前体生成阶段关键酶活性的影响

对于前体生成阶段的ODC 与LDC，低浓度外源硒可显著提高其活性。从机制来看，低浓度硒可通过维持细胞内还原型谷胱甘肽的高比例，避免ROS 对 ODC 与 LDC 蛋白结构的损伤。然而，高浓度外源硒则会对 ODC与LDC 的活性产生抑制作用。高浓度硒会打破细胞内氧化还原平衡，导致ROS 大量积累，过量的 ROS 会氧化酶蛋白中的巯基（-SH），破坏酶的活性中心构象，使酶失去催化功能。

（二）对中间产物转化阶段关键酶活性的影响

中间产物转化阶段的PMT 与CYP450 是外源硒调控的重点目标酶。低至中浓度的外源硒可提高 PMT 的活性，其核心机制在于硒可通过调节 JA信号通路，激活 PMT 基因的表达。JA 作为胁迫信号激素，在低至中浓度硒的诱导下合成量增加，JA 可与细胞内的受体结合，激活下游转录因子，该转录因子可特异性结合到 PMT 基因的启动子区域，促进 PMT 基因的转录，增加PMT 酶蛋白的合成量，进而提高PMT 的活性。活性增强的PMT可催化更多腐胺发生N-甲基化反应，生成N-甲基腐胺，提高代谢流向百部生物碱合成途径的分配比例，为中间产物的转化提供充足底物。对于CYP450，外源硒对其活性的影响呈现出明显的酶亚型特异性。部分CYP450亚型（如参与羟基化反应的亚型）在低浓度硒处理下活性显著提高，这是因为硒可通过调节细胞内 Fe²⁺ 的浓度，维持CYP450 活性中心的正常构象。

（三）对终产物合成阶段关键酶活性的影响

终产物合成阶段的甲基转移酶与酰基转移酶对硒的响应较为温和，低至中浓度外源硒可轻微提高其活性，而高浓度硒对其活性无显著抑制作用。低至中浓度硒可通过增强酶蛋白的稳定性，减少酶蛋白的降解，同时，硒还可通过调节细胞内甲基供体（如 S-腺苷甲硫氨酸）与酰基供体（如乙酰辅酶 A）的含量，为甲基转移酶与酰基转移酶提供充足底物，进而轻微提高酶的活性。活性略有增强的甲基转移酶与酰基转移酶可加速对生物碱中间产物的修饰，促进百部生物碱终产物的生成与积累，同时丰富生物碱的种类与结构多样性。

结语：未来的研究可围绕以下方向展开：一是探究外源硒与百部生物碱合成关键酶基因表达的调控关系，明确硒响应的转录因子及其作用机制，从分子水平揭示硒调控关键酶活性的本质；二是开展不同硒形态（如亚硒酸钠、硒酸钠、有机硒）对百部生物碱合成关键酶活性的对比研究，筛选出调控效果最佳的硒形态与浓度组合，为实际生产应用提供精准指导；三是结合代谢组学与蛋白质组学技术，系统分析外源硒处理后百部体内代谢物与蛋白质的动态变化，构建硒调控百部生物碱合成的完整代谢网络。

参考文献：

[1] 吴 晓 晓 , 马 开 庆 . 百 部 生 物 碱 的 全 合 成 [J]. 化 学 进展,2020,32(06):752-760.

作者信息：

黄锡义（2005-），汉族，湖北黄石，本科，研究方向：林学唐妮蔚（2005-），汉族，湖南常德，本科，研究方向：林学朱玲依（2002-），苗族，湖北利川，本科，研究方向：林学赵永浩（2005-），土家族本科，研究方向：林学蒙启俊（2005-），壮族，广西崇左，本科，研究方向：林学湖北民族大学大学生创新创业训练计划项目：S202310517075