水杨酸的生理作用
【概述】
水杨酸(Salicylicacid,简称SA),即邻羟基苯甲酸,是一种植物体内产生的简单酚类化合物，是医药、染料、化工制剂等领域的重要中间体。在医药工业中，水杨酸占有很重要的地位，主要用于止痛灵、利尿素、阿司匹林(乙酰水杨酸)等药物的生产;在染料工业中，水杨酸用于制备媒染纯黄、直接棕3GN、酸性铬黄等;水杨酸还可用作橡胶硫化延缓剂和消毒防腐剂等。
【生理作用】
1. 水杨酸与植物抗病
水杨酸的主要作用之一是参与植物对病原的防御反应,将病害和创伤信号传递到植物的其它部分引起系统获得性抗性。现已发现,SA能诱导多种植物对病毒、真菌及细菌病害产生抗性。许多研究表明,水杨酸可以作为诱导因子,在植物抗病反应中起着非常重要的作用。病原物入侵有抗病能力的植株后,受害的细胞只局限在侵入点附近,这种保护性细胞坏死称为过敏反应(HypersensitiveReactive,HR)。HR使病原的侵染局部化,并在侵染部位形成枯斑。植物局部的HR产生的一类信号分子沿着韧皮部传递到整株植物并引起植物对同一病原或其它病原的抵抗作用,即系统获得抗病性(SystemicAc-quiredResistance,SAR)。
水杨酸是植物产生HR和SAR必不可少的条件。例如,把细菌中的编码水杨酸羟化酶的nahG基因转入烟草和拟南芥后发现,病原物侵染后这两种转基因植物中SA的积累受到了抑制,从而消弱了它们限制病原物扩展和产生SAR的能力。此外,水杨酸预处理也可以增强植物多种防卫反应机制,包括植保素(phytoalexin,PA)及其有关合成酶类、病程相关蛋白(pathogenesisrelated,PR)和各种活性氧的产生,从而最终提高植物的抗病性。外源SA及ASA处理可诱导烟草PR-蛋白的合成和对烟草花叶病毒(TMV)的抗性。水杨酸对植物抗病诱导的报道涉及的植物还包括番茄、黄瓜、水稻、大蒜、大豆和甜菜等。水杨酸不仅参与因病毒感染而发生的系统获得性抗性,还参与细菌性和真菌性病原所引发的系统获得性抗性。SA被认为是植物内源的类信号分子触发病理相关蛋白基因表达的诱因。
2. SA与植物抗环境胁迫
（1）水杨酸与植物抗低温 SA处理能诱导产热,而植物产热是其本身对低温环境的一种适应。SA可能通过诱导抗氧化酶类的产生增强玉米幼苗的耐冷性。 SA对黄瓜幼苗抗冷性的影响研究发现,SA能够提高超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)的活性,减缓膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)的积累,从而提高了黄瓜幼苗的抗低温能力。
水杨酸可提高香蕉幼苗的抗寒性,在低温胁迫期间,SA能提高香蕉幼苗的光合能力,减少电解质的泄漏,提高过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和SOD等保护酶的活性。
（2）水杨酸与植物抗旱 干旱下,SA可能诱导某些抗性基因的表达。SA或MeSA处理豌豆和番茄幼苗,能增强植株对干旱的抵抗能力。 外源SA延缓干旱胁迫下小麦苗期叶片的相对含水量、叶绿素含量和蛋白质含量的下降趋势,提高SOD、POD和CAT等保护酶的活性,降低质膜透性。水分亏缺条件下,0.05%的ASA可以明显降低小麦幼苗超氧物阴离子(O?2)的含量,ASA既有直接清除O?2的作用,又可以提高SOD活性来清除O?2。研究还发现,中度水分胁迫(10%PFG处理48h)导致小麦幼苗叶片膜显著受损伤,SOD活性下降,MDA含量明显上升,在胁迫期间外施250μmol/L的SA虽不能阻止叶片膜受损伤,但在小麦种子吸胀和萌发期间,经相同浓度SA预处理,则同样强度的水分胁迫不会对幼苗细胞膜造成损伤。
（3）水杨酸与植物抗盐 在植物抗病研究中发现,SA和ASA往往能诱导植物产生抗盐性状。据此推测,SA可能与植物抗盐有关。1.2%的NaCl胁迫下,小麦叶片和根中ATP含量明显下降。盐胁迫下外施0.1g/L的SA或ASA使幼苗叶片内ATP含量高于盐处理。研究发现,盐胁迫下,0.1g/L的SA和0.2g/L的ASA处理能显著提高小麦种子发芽率、发芽指数和活力指数,提高萌发的小麦胚乳内α-淀粉酶、蛋白酶的活性以及可溶性糖、可溶性蛋白质、SOD、POD的含量,降低幼苗叶片质膜透性,减少膜质过氧化产物MDA的积累。SOD和POD的主要功能是消除盐胁迫诱导产生的细胞内活性氧自由基,降低膜脂过氧化,维持细胞质膜的稳定性和完整性,减少膜脂过氧化作用产物MDA的累积,缓解盐胁迫对小麦的伤害,提高其对盐胁迫的适应性。对水稻的研究发现,NaCl胁迫下SA浸种处理后,水稻幼苗叶绿素含量增加,CAT活性提高,电导率降低,MDA含量减少。
（4）水杨酸与植物抗热 有研究证明,芥菜幼苗喷施10～500μmol/L的SA,耐受55℃热激的能力可以延长1.5h,在此浓度范围内,耐热性随SA浓度增加而增强,但高于500μmol/L时则不能诱导耐热性;而且100mol/L的SA对芥菜幼苗耐热性诱导的时序变化与预先使幼苗在45℃适应1h的效果类似。在含有10μmmol/L的水杨酸培养介质中生长的拟南芥植株经历40℃,1h的热激胁迫后,比不经SA处理的植株生存率提高5倍,电解质泄露率降低50%;用37℃处理SA缺失型拟南芥突变体(NahG)1h,其生存率接近于零,远低于野生型的生存率。
（5）水杨酸与重金属胁迫 重金属离子能与酶活性中心或蛋白质中的巯基结合,取代金属蛋白中的必需元素,或者干扰Ca2+等物质的运输并通过氧化还原反应产生自由基,从而导致细胞氧化损伤,进而干扰细胞正常代谢过程。然而,植物并非被动地承受重金属毒害,而是相应地产生了多方面的防御机制,如重金属可诱导植物体内抗氧化系统保护酶活性升高,触发热激蛋白(heatshockprotein,HSP)、PRP蛋白(proline-richprotein)和PR蛋白(pathogenesisrelatedproteins)等防卫基因的表达,提高植物的抗重金属能力。PR2在正常生长条件下的菜豆叶片中未表达。叶片外施0.2%HgCl2和CaCl2后,此基因的mRNA表达量在48h达到最大,砷、铜、锌等根际处理后也可诱导PR2表达。由于木蓿花叶病毒(AMV)侵染及外源SA均可诱导PR2积累,预示病毒可能通过提高内源SA水平调节PR2基因转录。至于抗重金属胁迫的植物是否也是通过提高内源SA水平调节PR2基因的转录,还有待于进一步研究。
（6）水杨酸与抗臭氧 研究表明,烟草经臭氧处理后积累SA对TMV侵染的抗性增强。臭氧也可诱导拟南芥细胞内SA和SAG迅速而短暂的积累,诱导水平和时序与病原菌侵染诱导过程相似。与野生型拟南芥植株相比,SA缺失型突变体(NahG)更易受臭氧伤害,但植株体内SA的高水平积累也比野生型植株易受臭氧的伤害,表明SA在植物抗臭氧方而的双重作用。外源SA是否能增强植物抵抗臭氧胁迫的能力,至今还未见报道。
3. 水杨酸与果实成熟 在新红星苹果果实生长发育期间,SA出现一个含量高峰,在SA含量达到高峰后,果实生长开始出现高峰,随着果实的成熟,SA含量逐渐下降,果实生长也随之缓慢。在鸭梨果实生长中也表现出类似的规律,在果实生长发育前期呈现一个SA含量高峰,高峰过后果实进入快速生长期。随着果实的成熟,SA含量下降。在大蒜鳞茎开始膨大时,叶片喷1.0mmol/L的SA可以明显促进鳞茎膨大。这些都说明SA与果实生长发育有一定的关系。外源SA处理可延缓苹果、梨、桃、香蕉和猕猴桃等果实的成熟衰老进程,这种效应可能是通过抑制果实组织中乙烯的合成来实现的。0.002～0.2mmol/L的SA可以抑制红富士、新红星和鸭梨PG的活性,延缓果实的成熟。
4.SA与贮藏保鲜 用50mg/L的SA+2%蔗糖与300mg/L的8-羟基喹啉柠檬酸盐+2%蔗糖做对比试验。结果表明,SA明显降低了玫瑰切花的呼吸代谢强度,缓解了花朵的水分亏缺,减轻了花朵膜损伤,延长了瓶插寿命,提高了观赏性。用0.1～0.3g/L的SA处理大久保桃,可以减轻果实腐烂,保鲜效果好。
5.SA与种子萌发 用0.01～5.00mmol/L的SA对蚕豆种子浸种24h后,置于室温下萌发,SA对缩短发芽时间、提高发芽指数、促进胚根和胚芽的生长、提高根冠比以及侧根原基的形成都有显著作用。用较低浓度(0.01～0.1mmol/L)的SA处理玉米种子,会促进种子的萌发,同时发芽种子淀粉酶活性降低,POD活性升高,可溶性糖和可溶性蛋白质含量增加。但用较高浓度(1～5mmol/L)的SA处理后,种子的萌发则受到抑制,种子中的淀粉酶活性升高,可溶性蛋白质含量、可溶性糖含量及POD活性下降。
6.SA的其它生理作用 SA对植物其它生理过程的影响表现为:诱导植物开花,影响性别分化,参与气孔运动调节,调节植物的光周期以及引起植物花序生热等。
【制备方法】
1.Kolbe－Schmitt法 目前，国内外均采用苯酚为原料，经Kolbe－Schmitt反应工业化生产水杨酸，简称Kolbe－Schmitt苯酚法。
Kolbe－Schmitt法反应方程式
图1为Kolbe－Schmitt法反应方程式
该方法主要有常压法和中压法，工艺流程大体相同，都是以苯酚为原料，先与NaOH溶液反应成酚钠，然后通入CO2进行羧基化反应，再用硫酸酸化得水杨酸。常压法是常压操作，安全性较好，设备投入比较少，缺点是单程转化率较低。中压法又分直接法和溶剂法，直接法是压力稳定在0.7～0.8MPa，采用气固相直接羧化工艺，反应在非均相介质中进行，其不足之处在于反应转化率、收率低且物料容易固结在反应釜中。溶剂法是加入过量苯酚为溶剂，使羧化反应成为较易进行的气液相反应，这样就增加了反应物料间的接触碰撞，改善了过程的传质传热性能，因而反应速度加快，反应转化率和收率提高。Kolbe－Schmitt苯酚中压溶剂法工艺流程示意见图2.
Kolbe－Schmitt苯酚中压溶剂法工艺流程示意
图2为Kolbe－Schmitt苯酚中压溶剂法工艺流程示意
2.邻硝基甲苯法 在高锰酸钾的作用下，原料邻硝基甲苯经氧化得到初步产物邻硝基苯甲酸。然后经H2还原反应及重氮化反应可得产物水杨酸。该法工艺流程长、副反应多、成本较高，不适合工业化生产。
邻硝基甲苯法反应方程式
图3为邻硝基甲苯法反应方程式
3.邻甲基苯磺酸法 原料邻甲基苯磺酸首先经过氧化得到邻羧基苯磺酸，然后与NaOH反应生成钠盐，再经碱熔、酸化即可制得水杨酸。该法原料难得、成本高、得率低，只在理论上有意义，实际中很少应用。
邻甲基苯磺酸法反应方程式
图4为邻甲基苯磺酸法反应方程式
4.邻甲酚法邻甲酚法 首先原料邻甲酚与乙酐反应生成邻甲基苯甲酸甲酯，然后经氧气氧化生成邻甲酸苯甲酸甲酯，然后再经氢氧化钠水解置换、硫酸酸化得到最终产物水杨酸。该法反应步骤复杂，原料难得，具有一定的理论意义，不适合工业生产
邻甲酚法邻甲酚法反应方程式
图5为邻甲酚法邻甲酚法反应方程式
【用途】
本品用于合成香料,如水杨酸甲酯（冬青油）、水杨酸乙酯、水杨酸异丁酯,水杨酸戊酯、水杨酸苯酯、水杨苄酯、水杨酸苯乙酯等;用于合成医药,如乙酰水杨酸(阿司匹林)、柳胺酚(利胆酚)、格列苯脲、三溴沙仑、柳氮磺吡啶、氯硝柳胺、水杨酰胺;用于合成农药,如水胺硫磷,甲基异硫磷、乙基异硫磷;用于合成染料,如直接黄棕D3G、直接深棕M、直接黄棕3G、直接耐晒棕BRL、直接耐晒红棕RTL、直接耐晒绿棕BLL、直接耐晒绿SGLL、直接红F、直接黄GR、直接黄SGL、酸性媒介橙G、酸性媒介黄、酸性媒介黄GG、酸性媒介黄3G等;用于合成精细化工中间体,如5-氯水杨酸、3,5-二氯水杨酸、水杨酰苯胺、乙酞水杨酸甲脂、3,5-二碘水杨酸、水杨酰肼、水杨酰肟酸、水杨酰邻甲苯胺、3,5-二硝基水杨酸,5-磺基水杨酸、水杨酸对辛基苯基脂、次水杨酸秘、水杨酸-4-叔丁基苯脂等。
【参考资料】
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