植物研究进展——植物蔗糖酶的研究进展
植物蔗糖酶的研究进展
司丽珍(1)储存成人才(2)
(中国科学院遗传与发育生物学研究所，北京100101)
在大多数高等植物中，蔗糖是碳水化合物同化产物从源到库的主要运输形式。在库中，蔗糖酶能将蔗糖水解成葡萄糖和果糖，以满足植物生长发育对碳源和能量的需求。本文综述了近年来蔗糖酶的一些研究进展，包括蔗糖酶的分类、基本性质、基因结构，
酶活性和功能的调节。
植物，蔗糖酶，活性调节，功能
它被称为细胞外蔗糖酶。对于不同的蔗糖酶反应是最必需的。
0简介
植物通过光合作用将C O 2固定在叶片(源组织)中。
定义为碳水化合物，然后运输到非光合组织(库组织)。大多数植物以非还原二糖如蔗糖的形式将碳水化合物同化产物从源运输到库。在库组织中，蔗糖分解为己糖，为植物生长发育提供碳源和能量。蔗糖分解主要由蔗糖合酶(EC2)完成。4.1.13)或蔗糖酶(E C3。2.1.26).蔗糖合酶是一种糖基转移酶，在UDP存在下将蔗糖转化为尿苷二磷酸葡萄糖和果糖。蔗糖酶是一种水解酶，将蔗糖水解成葡萄糖和果糖。蔗糖酶有多种同工酶，位于不同的亚细胞位置，具有不同的生化特性[1，2]。虽然它们的功能特异性尚不清楚，但已知蔗糖酶主要参与调节植物对蔗糖的不同利用方式。由于糖在植物中不仅作为能量使用，还是基因表达的重要调节物质之一，蔗糖酶也间接参与了细胞分化和植物发育的调节。鉴于此，蔗糖酶的研究无论在理论上还是在实践上都具有重要的意义，备受关注。本文介绍了近年来的研究进展。
适宜的pH值也不同，所以蔗糖酶可分为酸性蔗糖酶和中性/碱性蔗糖酶。液体细胞蔗糖酶和细胞壁蔗糖酶在pH 4时催化效率最高。五比五。0，所以也被称为酸性蔗糖酶。细胞质蔗糖酶的最适pH值为中性或微碱性，故称为中性/碱性蔗糖酶。蔗糖酶按其溶解度可分为可溶性蔗糖酶(包括液体细胞蔗糖酶和细胞质蔗糖酶)和不溶性蔗糖酶(细胞壁蔗糖酶)。
2蔗糖酶的基本性质
大多数植物至少含有两种液体细胞蔗糖酶，它们都以可溶性蛋白质的形式存在。而细胞壁蔗糖酶是以离子键的形式结合在细胞壁上的，而且有很多同工酶。液体细胞型和细胞壁型蔗糖酶在pH4时效率最高。五比五。0，并从果糖残基进攻蔗糖，所以这种酸性蔗糖酶称为β-呋喃果糖苷酶。正因为如此，酸性蔗糖酶还可以催化其他含β-果糖的多糖的水解，如水苏糖和棉子糖。目前已从许多植物中分离出酸性蔗糖酶，成熟肽的分子量大多在55 ~ 70kd之间。变性SDS凝胶电泳显示70kD的液体细胞蔗糖酶可水解成30kD的N端和38kD的C端。它们在蔗糖浓度很低时有一个Km值，酶活性受重金属离子如Hg2+和Ag 2+的抑制，说明催化中心存在巯基。酸性蔗糖酶也受到其反应产物的抑制，葡萄糖是非竞争性抑制剂，果糖是竞争性抑制剂[3]。
此外，植物中至少存在两种细胞质蔗糖酶，其水解蔗糖的最适pH为中性或碱性。中立还是有偏见
1蔗糖酶的分类
根据蔗糖酶在植物中的亚细胞位置，蔗糖酶可分为液体细胞蔗糖酶、细胞质蔗糖酶和细胞壁蔗糖酶。前两种也叫细胞内蔗糖酶，细胞壁蔗糖酶也叫细胞内蔗糖酶。
①女，出生于1974，博士生；研究方向:分子遗传学。
②联系人。
-03-29(接收日期:2002年)
高科技通讯2002年8月
碱性蔗糖酶的特性尚不清楚，但与酸性蔗糖酶相比，这些酶具有蔗糖特异性。碱性蔗糖酶多以同源四聚体形式存在，分子量约为54 ~ 65 KD，其Km(蔗糖)为10 mmol/L，酶活性受反应产物葡萄糖和果糖的抑制，不受重金属离子的抑制[4]。由于中性蔗糖酶很难分离，对它们的研究很少。
糖苷酶分析表明，它们的表达具有器官特异性，Lin6具有库组织特异性，而Lin5和Lin7具有雄蕊特异性和雌蕊特异性，表明这两个基因与花器官中的碳相关。
供应水同化产品[13]。在番茄中，也已经分离出1液体细胞蔗糖酶基因和4个细胞壁蔗糖酶基因，它们的表达具有器官特异性[14]。这说明植物中的酸性蔗糖酶是由一个小基因家族编码的，这些基因在植物发育过程中特定的时间和空间独立表达。
除了器官和发育特异性表达，糖的组成和浓度
酸性蔗糖酶已从番茄、拟南芥、玉米、Hu。
萝卜[7]被克隆，其基因结构基本相同，含有6 ~ 8个外显子[2]。除了胡萝卜的细胞壁蔗糖酶[7]，所有基因都包含一个微小的外显子，它只编码NDPNG中心的一个三肽(DPN)，一个保守元件。在马铃薯中，这个最小的外显子具有特殊的交叉特征[8]。当转化酶基因正常表达时，没有发现转录后加工错误。然而，在冷胁迫下，RNA剪切加工过程被破坏，转录产物的外显子被删除。目前尚不清楚这种切变异常是否具有生理生化效应。酸性蔗糖酶的氨基酸序列分析表明，N-端有一个信号肽和一个前肽。前肽的功能尚不明确，推测可能与蛋白质折叠、蛋白质定位有关[9]，或者与酶活性的控制有关[10]。
关于中性/碱性蔗糖酶的研究很少。从胡萝卜中克隆的中性蔗糖酶N端无信号肽，富含半胱氨酸，与酸性蔗糖酶同源性低[11]。
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[2]
[6]
3蔗糖酶的基因结构
程度也能显著影响这些酸性蔗糖酶的表达。不
同一株植物中不同的蔗糖酶，同一株植物对糖的反应不同。目前，已经确定了两种具有不同反应的基因。第一类随着碳水化合物的增加而增加表达，另一类对它们有负调节作用，降低蔗糖的含量而增加表达，对葡萄糖、蔗糖等代谢糖的反应相似。有趣的是，可溶性酸性蔗糖酶基因在美洲藜细胞中的表达不受糖的影响，而细胞壁蔗糖酶基因的表达随着糖含量的增加而增加。在胡萝卜中，糖对酸性蔗糖酶没有影响。不同植物中不同酸性蔗糖酶基因对蔗糖反应不同的原因尚不清楚。一种可能是，在植物中，比如胡萝卜，植物储存了大量的糖，所以糖的含量作为酸性蔗糖酶的调节剂是不利的，糖的调节功能可能在进化中没有被开发出来或者丧失了。在这些植物中，短期的生理变化仅导致糖含量的轻微变化，不足以有效调节蔗糖酶基因的表达。
在许多植物中，植物生长调节剂如生长素[17]、赤霉素[18]或细胞分裂素也能提高酸性转化酶的活性。目前尚不清楚植物激素是否直接调节转化酶的表达，或者激素是否导致细胞增殖并产生新的库组织。在美洲藜的组织培养细胞中，由于细胞分裂素的影响，细胞壁蔗糖酶和葡萄糖载体的转录同时增加[19]，这很可能是由于激素刺激细胞增殖导致碳源供应增加。损伤还可以调节酸性蔗糖酶基因的表达。例如，可溶性酸性蔗糖酶的活性在成熟马铃薯块茎切片中显著增加[20]，在18小时迅速达到峰值，然后下降。当胡萝卜根冠受到机械损伤时，其细胞壁中蔗糖酶的表达也发生变化，mR NA在伤后12小时达到最高值，并伴随着酶活性的升高。损伤对其表达的影响不是系统性的，活性的变化仅限于损伤部位。
酸性蔗糖酶活性升高与不同疾病感染的关系也有很多报道[21]。在胡萝卜的根冠中，它与病毒相连。
[21]
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蔗糖酶的调节
由于中性/碱性蔗糖酶的活性在提取过程中容易损失，所以对它们的研究很少。关于酸性蔗糖酶的调节有大量的信息。
在拟南芥中，酸性蔗糖酶由至少四个基因编码:at be-tafuc1、fruc2、fruc3和fruc4，包括细胞壁蔗糖酶基因和液体细胞蔗糖酶基因。对它们表达模式的分析表明，它们的表达具有器官或发育特异性[12]。对于βfr UC 1基因处的细胞壁型，其在成熟叶片中表达活性很高，但在子叶和花器官中不表达。atβfr uc2基因在花器官中特异表达。液体细胞A型fruc3的表达模式与前两种细胞壁蔗糖酶完全不同。Northern和RT -PCR结果表明，该基因在子叶中高表达，而在成熟叶、根和花器官中低表达。在βfr，uc 4在幼叶中表达，但在成熟叶中不表达。马铃薯胞外甘蔗[1]
植物蔗糖酶的研究进展
触碰1小时后，蔗糖酶转录水平达到最高，之后迅速下降。和损伤一样，疾病浸染对其表达的影响也不是系统性的，活性的变化也仅限于浸染。
位置。
这种变化不仅说明了细胞伸长过程中蔗糖需要转化为单糖，也说明了细胞增殖过程中蔗糖需要作为代谢底物。可见，液泡酸蔗糖酶通过调节蔗糖在植物生长中起重要作用。
蔗糖酶在不利条件下维持细胞的正常功能也有一定的作用。比如非季节性降雨、高温、收获延迟等。都能导致蔗糖的再转移以适应外界的变化[28]。在转基因烟草中，酵母蔗糖酶的表达提高了植物的耐盐性，盐胁迫下植物的光合作用没有变化，而野生型的光合作用在相同条件下受到抑制。进一步分析证明，转基因植株的渗透压显著高于对照，表明蔗糖酶可以通过调节植物的渗透压来提高植物的耐盐性。
像细胞内蔗糖酶一样，细胞外蔗糖酶也在调节同化物的分配和抵抗逆境中发挥重要作用[30]。胞外蔗糖酶在信号转导中的作用将有助于阐明其在源库调节中的作用。在转基因胡萝卜中，胞外蔗糖酶和液体细胞酸蔗糖酶在植物生长发育中起着重要作用[31]，在植物的早期发育中尤其需要胞外蔗糖酶。5.2源-汇关系的调节
酸性蔗糖酶在调节源库关系中的调节作用已经通过分子操作技术在烟草、拟南芥、马铃薯和番茄等模式植物中得到证实。酵母蔗糖酶在亚细胞不同部位的过量表达证明了它在光合产物的长距离运输中起着重要作用[32，33]。无论酵母的蔗糖酶在烟草的液体细胞或细胞质中表达，转基因植物都表现出异常生长、源叶中碳水化合物积累、根形成延迟和严重矮化，叶片中积累淀粉和可溶性糖，这表明转基因植物的糖转运平衡被破坏。当蔗糖酶在细胞质中表达时，淀粉和可溶性糖在源叶和库叶中积累，叶片卷曲，表明细胞分裂和细胞生长在叶顶相对较快。在马铃薯的源叶中，酵母蔗糖酶过量表达，转基因植株表现为叶片萎缩，生长受阻，块茎数量减少。在细胞水平上，源叶中己糖、淀粉和氨基酸的含量增加，尤其是脯氨酸，比野生型高40倍。转基因植株的光合速率下降，渗透压升高，1，5- rubp羧化酶(Rubisco)的蛋白质含量不变，但在激活状态下的比例和催化效率下降[34]。在转基因烟草、拟南芥和番茄中观察到相同的表型，尽管不同植物中的抑制程度不同[2]。然而，在马铃薯块茎的细胞质中，
[33]
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5蔗糖酶的功能
5.1对植物生长的调节
蔗糖在植物中有许多重要的功能(营养、渗透调节、信号分子)，蔗糖酶也是如此。
在大多数情况下，蔗糖酶将蔗糖水解成己糖供呼吸消耗，或作为碳源和能量合成许多其他化合物。蔗糖酶可以参与韧皮部中蔗糖的长距离运输[22]。此外，蔗糖酶将蔗糖分解为葡萄糖和果糖，可以大大提高细胞的渗透压，表明蔗糖可能在细胞伸长和植物生长中发挥作用[23]。
在大多数研究中，蔗糖酶的功能是通过测量蔗糖酶在生理过程中的活性来推断的。例如，在快速生长的胡萝卜根或豆茎中，蔗糖酶的活性很高，而这些组织中的蔗糖含量很低或能迅速降低，所以酸性蔗糖酶在这些组织中的作用是水解蔗糖，以满足植物对还原糖的高需求[4]。酵母蔗糖酶在豌豆子叶中的表达导致蔗糖含量的降低和己糖的积累。转基因植物的细胞含有大液泡，这种液泡可以持续很长时间。然而，在野生型中，大液泡经常被小蛋白质取代。当植物变得成熟或脱水时，转基因植物出现质壁分离，同时在内膜系统中形成小泡[24]。植物组织的生长不仅需要己糖作为碳源和能源，还需要一种细胞伸长的驱动力，即细胞的渗透压平时相对稳定，但在细胞壁伸长时增加。通过分析重力作用下枕叶上下部分的反应，获得了可溶性酸性蔗糖酶在渗透调节中起作用的一个间接证据。在下部，转化酶活性增加了3倍，证明植物生长的一个潜在驱动力是渗透压梯度。
在发育中的向日葵下胚轴中，发现细胞伸长速率和酸性蔗糖酶活性之间有很强的正相关性[4]。Woodson和王(1987)的研究表明，盛开的香石竹花中可溶性酸蔗糖酶活性和还原糖水平的增加是调节香石竹花瓣生长的一个非常重要的因素，这些还原糖主要来源于蔗糖的输入和后续的水解[25]。
在甘蔗中，液态细胞酸性蔗糖酶的活性在未成熟和旺盛的茎组织中非常高，并且其活性随着茎成熟度的增加而降低[26，27]。液体细胞酸蔗糖酶
[23]
高科技通讯2002年8月
转化酶在酵母中的异源表达导致更小的块茎和更低的产量，但是块茎的数量增加。如果这个基因在块茎细胞中定位表达，结果正好相反，即块茎变大，数量减少，但产量增加。通过反义技术，降低了番茄胞内酸性蔗糖酶的表达。虽然植物生长没有显示异常，但果实变小了[35]。以上结果表明，可以通过改变蔗糖的代谢来调节库的大小。
酵母蔗糖酶基因在泛素启动子的控制下导入甘蔗愈伤组织。
[38][36, 37]
酵母蔗糖酶在马铃薯块茎细胞质和细胞间的特异性表达，导致蔗糖含量降低，葡萄糖含量增加。块茎细胞质中蔗糖酶活性的增加加快了糖酵解的速度。
度，导致磷酸化中间体的积累，但这些磷酸化中间体并没有被用来合成淀粉。此外，蔗糖酶的细胞间表达不会增加磷酸己糖的含量[37]。
6问题和前景
目前，酸性蔗糖酶的研究取得了很大进展。不仅纯化了蔗糖酶，而且建立了活性测定方法。此外，它们的cDNA已经从许多植物中克隆出来，并在转基因植物中表达和鉴定。但是对于植物中的蔗糖酶来说还有很多问题需要解决，比如:1)为什么不同亚细胞中的蔗糖酶有不同的特性，如何协调？2)中性/碱性蔗糖酶的作用是什么？3)是否有其他代谢产物或物质调节蔗糖酶的表达，等等。这需要生理学、生物化学和分子生物技术的有机结合。这些问题的最终解决方案将有助于更好地操纵植物中碳水化合物的代谢和分布。
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在这些细胞的细胞质和胞质中。
蔗糖酶活性增加，但蔗糖积累减少。通过柜台
正义表达，降低转基因番茄中酸性蔗糖酶的活性，可以改变蔗糖与己糖的比例[35，39]。尽管转基因植株与野生型在表型上没有差异，但果实比对照减少了30%，这表明该基因在文库的发展中起着重要作用。5.3储存库中蔗糖分布的调节
一个有争议的问题是蔗糖酶是否参与种子、块茎和根等库器官的蔗糖代谢。蔗糖合酶是莱姆豌豆种子和马铃薯块茎发育过程中蔗糖降解的主要酶，蔗糖酶降解蔗糖的量非常低[40]。这一结论也与小麦胚乳发育的研究结果相一致。蔗糖合酶在整个胚乳中是活跃的。
[42]
发育过程中蔗糖酶的活性高于蔗糖酶。Weber等人(1995)在研究种子发育过程中光合产物的排放和分配机制时，得出了相反的结论。在预贮藏期间，他们发现子叶和胚乳中高水平的己糖含量与种皮中高细胞壁蔗糖酶活性正相关。基于此，他们提出了一个模型，其中蔗糖酶调控种子发育早期的卸载过程，细胞壁蔗糖酶的作用是在早期建立池的强度。
[43]
Miller等人(1992)在研究玉米的遗传缺陷突变体时也得出了同样的结论。在该突变体中，种子重量仅为正常种子的1/5，蔗糖酶无活性，干扰光合产物向发育中的种子运输。
在果实等糖的贮藏器官中，高酸性蔗糖酶活性与己糖的积累密切相关。在主要储存蔗糖的野生番茄果实中，蔗糖酶的活性下降很低，但在主要储存己糖的栽培番茄果实中，蔗糖酶的活性在果实成熟开始时增加[44]。通过反义或基因抑制降低蔗糖酶的活性，可使果实主要储存己糖转变为蔗糖，说明番茄中存在一种可溶性蔗糖酶，控制糖的组成。在对低温贮藏的马铃薯块茎糖的研究中也得到了类似的结果。通过反义手段降低蔗糖酶的活性，导致己糖/蔗糖比降低，但不改变总糖含量[45]。因此，可溶性酸性蔗糖酶作为糖组分的调节剂。[35, 39]
[41]
植物蔗糖酶的研究进展
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植物转化酶的研究进展
司礼真，楚蔡程
(中国科学院遗传与发育生物学研究所，北京100101)
一份摘要
在高等植物中，蔗糖是同化碳从“源”组织转运到“库”组织的主要来源，蔗糖在“库”组织中被转化酶分解成谷氨酸和果糖，为细胞提供碳和能量，以利于植物的生长和发育。因此，转化酶在源库相互作用和植物能量供应中起着重要作用。本文综述了蔗糖酶的分类、主要特性、基因调控及其功能的研究进展。
关键词:植物，转化酶，调控