摘要轉化酶是生物體內糖代謝的關鍵酶,綜述了轉化酶多態性及其活性表達調控、轉化酶基因等方面的研究;用分子生物學手段研究了轉化酶基因對植物糖分積累的直接作用;研究了逆境下轉化酶多態性表達及生理調節、調控。
關鍵詞轉化酶;多態性;糖代謝;基因;活性
中圖分類號 R392.12 文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2010)23-0016-03
ResearchAdvanceonPlantInvertase
GAO Yun
(Pingliang Medical College,Pingliang Gansu 744000)
AbstractInvertase plays an important role during the sugar metabolism in higher plant. The varieties,distribution,invertase expression,gene expression of the invertase in higher plant were introduced in this paper. The research on the direct function about invertase gene to plant sugar accumulation by molecule biology means and the research on invertase expression,physiological regulation under adversity stress were summarized.
Key wordsinvertase;polymorphism;sugar metabolism;gene;activity
轉化酶(invertase),又稱蔗糖酶或β-D-呋喃果糖苷酶,是生物體內糖代謝的關鍵酶,在蔗糖代謝中催化如下反應:蔗糖+H2O→果糖+葡萄糖。由於糖代謝是生物體內物質代謝的中心,蔗糖是高等植物光合作用的主要產物,是碳運輸、「庫代謝」、糖積累、果實品質形成中的重要因子,還是細胞代謝的調節因子,可能通過影響基因表達發揮作用。因此,與蔗糖代謝和積累密切相關的轉化酶是近年來生理生化、生理生態及分子生物學研究的熱點之一。
1轉化酶的多態性及在蔗糖代謝中的作用
轉化酶是高度多態的,包括酸性轉化酶(Acid Invertase,AI)、中性轉化酶(Neutral Invertase,NI)和鹼性轉化酶。許多報道將中性轉化酶和鹼性轉化酶看作同一種轉化酶。酸性轉化酶主要存在於液泡或束縛於細胞壁上,其最適pH值在3.0~5.0;中性和鹼性酶位於細胞質中,最適pH值在7.0左右。報道的轉化酶的分子量大小為50~80 kD,為單體或二聚體。生殖器官中均有液泡轉化酶表達。栽培番茄、野生番茄及轉基因番茄研究表明,在果實成熟後期,液泡轉化酶的表達與否決定著果實可溶性糖的組分[1]。原位雜交研究表明,胞壁轉化酶可能存在於維管束系統[2]。轉化酶的組織及亞組織定位研究表明,高活性的胞壁轉化酶與組織的迅速生長有關,而高活性的液泡轉化酶活性常與果實的發育或貯藏器官的迅速膨大有關[3],在幼苗、幼葉、幼根、幼果中都發現這一現象。快速生長的組織總是有高水平的AI活性,而NI的活性比AI的活性低很多。在甜瓜中,AI活性的增強為組織的快速生長提供作為碳源的己糖[4],網紋甜瓜果實轉化酶通過水解蔗糖成為葡萄糖和果糖,以保持細胞的滲透壓。
轉化酶與果實發育、成熟和糖的積累相關。隨著果實成熟和蔗糖的積累,AI活性降低。這一變化在網紋甜瓜[5-6]、甜菜等多種植物中都已發現。Schaffer等[6]通過比較甜與不甜的2種瓜類品種,得出可溶性AI(液泡中)的活性降低是蔗糖儲藏的一個首要條件。桃的蔗糖水解酶活力(不溶性AI及可溶性AI、NI)在幼果期較高,隨著果實的發育,蔗糖積累而水解酶活力下降。NI作為一種胞質酶,在成熟組織中,AI水平較低,因而NI對蔗糖水解更為重要。在甘蔗、甜菜、柑橘、胡蘿蔔的成熟組織中發現了NI調節蔗糖代謝,但在未成熟組織中尚未見到。網紋甜瓜[5]NI活性在未成熟組織中較高,隨著果實發育,其下降趨勢與AI相同,Gao等[4]認為在甜瓜果實蔗糖代謝中NI功能可能與其他蔗糖儲藏型物種組織不同。
2轉化酶活性表達調控研究
2.1抑制劑對轉化酶活性的調節
轉化酶的活性不僅受底物和產物的調節,而且受抑制劑等因素的調節。蛋白質轉化酶抑制劑及NaF都可有效地抑制液泡轉化酶和胞壁轉化酶。GA3可提高燕麥莖段等植物器官的轉化酶活性,但外源GA3對番茄轉化酶基因表達無影響。許多研究認為,IAA可提高液泡轉化酶活性[7],但Miyamoto等(1993年)認為外源IAA不影響轉化酶活性。Godt等(1997年)發現,玉米素可誘導懸浮培養的番茄細胞中胞壁轉化酶基因Lin6表達。細胞分裂素類化合物可誘導結薯期馬齡薯酸性轉化酶活性[8]。蛋白質轉化酶抑制劑的研究日益受到人們的重視。Schwimmer等[9]首先在植物中發現了蛋白質轉化酶抑制劑的存在,並由Pressey[10]後來的研究加以確認。幾十年來,從最初在馬齡薯塊莖中發現了蛋白質轉化酶抑制劑,相繼在其他蔬菜儲藏組織中,如甜菜、紅薯等中發現了它的存在,甚至玉米胚乳中也可以檢測到,說明這種抑制劑在種子生長期已與轉化酶相伴而生。近期,已克隆出植物轉化酶抑制劑的CDNAs。
2.2轉化酶表達與植物防禦系統有關
植物的防禦系統對轉化酶表達有一定的調控作用。正常條件下,成齡葉中轉化酶基因表達水平低,難以檢測,而當病菌侵染或有傷害刺激時,其轉化酶基因大量表達[2]。各種病菌的侵染都可誘導轉化酶的活性,如Scholes等(1994年)發現,白粉病菌侵染後8 d的大麥葉片中,酸性轉化酶活性提高了3倍。病菌侵染後期還可能產生新的可溶性轉化酶同工酶。但是,植物受到傷害刺激時,並非所有的轉化酶基因都能表達。Godt等(1997年)發現,受傷的番茄葉中5種轉化酶基因僅有Lin6表達。在受傷的庫組織中,胞壁轉化酶表達活性的現象在胡蘿蔔等植物上也有報道。
2.3環境脅迫下轉化酶多態性表達及其生理調節
探討轉化酶在高溫、低溫、乾旱、鹽分等逆境脅迫下的表達及生理調節,對深入揭示轉化酶的生理功能,蔬菜抗逆栽培的理論與實踐及生理育種,以及蔬菜等植物逆境生理生態的研究均有重要意義。從某種意義上來說,環境脅迫下轉化酶的表達也受植物防禦系統的調控。低氧脅迫可迅速抑制玉米轉化酶的活性[11],水分脅迫下鷹嘴豆根中鹼性轉化酶活性增加,並受GA3和IAA的正向調節[12]。柴麗娜等[13]研究幾種冬小麥幼苗轉化酶活性與抗旱性關係,發現乾旱脅迫下,抗旱性強的小麥品種,可溶性低聚糖含量增加與脅迫時間呈正相關。轉化酶這一特性,可作為鑑定小麥品種抗旱性強弱的指標之一。程智慧等[14]以番茄六葉期幼苗為試材,研究不同梯度的水分脅迫對葉片轉化酶種類和活性表達及糖代謝的影響。結果表明,可溶性酸性轉化酶和胞壁轉化酶活性隨著水分脅迫強度的加大而增強,己糖和蔗糖水平提高。持續強水分脅迫使轉化酶和可溶性糖水平顯著增加,而澱粉含量降低。有研究探討了水稻灌漿期水分脅迫對糖代謝及相關酶活性的影響[15],結果表明:水分脅迫縮短了灌漿時間,但促進了灌漿速度並利於澱粉在籽粒中積累;轉化酶活性增強不大,與澱粉積累速率無明顯相關性。黃豆結莢初期水分脅迫對葉片和豆莢中碳水化合物積累的影響研究[16]結果表明,乾旱降低了葉片中蔗糖和澱粉的累積量,同時增加了己糖的累積量,但並不影響葉片中可溶性轉化酶的活性,卻在乾旱處理5~10 d以後,降低了豆莢中可溶性轉化酶活性。
關鍵詞轉化酶;多態性;糖代謝;基因;活性
中圖分類號 R392.12 文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2010)23-0016-03
ResearchAdvanceonPlantInvertase
GAO Yun
(Pingliang Medical College,Pingliang Gansu 744000)
AbstractInvertase plays an important role during the sugar metabolism in higher plant. The varieties,distribution,invertase expression,gene expression of the invertase in higher plant were introduced in this paper. The research on the direct function about invertase gene to plant sugar accumulation by molecule biology means and the research on invertase expression,physiological regulation under adversity stress were summarized.
Key wordsinvertase;polymorphism;sugar metabolism;gene;activity
轉化酶(invertase),又稱蔗糖酶或β-D-呋喃果糖苷酶,是生物體內糖代謝的關鍵酶,在蔗糖代謝中催化如下反應:蔗糖+H2O→果糖+葡萄糖。由於糖代謝是生物體內物質代謝的中心,蔗糖是高等植物光合作用的主要產物,是碳運輸、「庫代謝」、糖積累、果實品質形成中的重要因子,還是細胞代謝的調節因子,可能通過影響基因表達發揮作用。因此,與蔗糖代謝和積累密切相關的轉化酶是近年來生理生化、生理生態及分子生物學研究的熱點之一。
1轉化酶的多態性及在蔗糖代謝中的作用
轉化酶是高度多態的,包括酸性轉化酶(Acid Invertase,AI)、中性轉化酶(Neutral Invertase,NI)和鹼性轉化酶。許多報道將中性轉化酶和鹼性轉化酶看作同一種轉化酶。酸性轉化酶主要存在於液泡或束縛於細胞壁上,其最適pH值在3.0~5.0;中性和鹼性酶位於細胞質中,最適pH值在7.0左右。報道的轉化酶的分子量大小為50~80 kD,為單體或二聚體。生殖器官中均有液泡轉化酶表達。栽培番茄、野生番茄及轉基因番茄研究表明,在果實成熟後期,液泡轉化酶的表達與否決定著果實可溶性糖的組分[1]。原位雜交研究表明,胞壁轉化酶可能存在於維管束系統[2]。轉化酶的組織及亞組織定位研究表明,高活性的胞壁轉化酶與組織的迅速生長有關,而高活性的液泡轉化酶活性常與果實的發育或貯藏器官的迅速膨大有關[3],在幼苗、幼葉、幼根、幼果中都發現這一現象。快速生長的組織總是有高水平的AI活性,而NI的活性比AI的活性低很多。在甜瓜中,AI活性的增強為組織的快速生長提供作為碳源的己糖[4],網紋甜瓜果實轉化酶通過水解蔗糖成為葡萄糖和果糖,以保持細胞的滲透壓。
轉化酶與果實發育、成熟和糖的積累相關。隨著果實成熟和蔗糖的積累,AI活性降低。這一變化在網紋甜瓜[5-6]、甜菜等多種植物中都已發現。Schaffer等[6]通過比較甜與不甜的2種瓜類品種,得出可溶性AI(液泡中)的活性降低是蔗糖儲藏的一個首要條件。桃的蔗糖水解酶活力(不溶性AI及可溶性AI、NI)在幼果期較高,隨著果實的發育,蔗糖積累而水解酶活力下降。NI作為一種胞質酶,在成熟組織中,AI水平較低,因而NI對蔗糖水解更為重要。在甘蔗、甜菜、柑橘、胡蘿蔔的成熟組織中發現了NI調節蔗糖代謝,但在未成熟組織中尚未見到。網紋甜瓜[5]NI活性在未成熟組織中較高,隨著果實發育,其下降趨勢與AI相同,Gao等[4]認為在甜瓜果實蔗糖代謝中NI功能可能與其他蔗糖儲藏型物種組織不同。
2轉化酶活性表達調控研究
2.1抑制劑對轉化酶活性的調節
轉化酶的活性不僅受底物和產物的調節,而且受抑制劑等因素的調節。蛋白質轉化酶抑制劑及NaF都可有效地抑制液泡轉化酶和胞壁轉化酶。GA3可提高燕麥莖段等植物器官的轉化酶活性,但外源GA3對番茄轉化酶基因表達無影響。許多研究認為,IAA可提高液泡轉化酶活性[7],但Miyamoto等(1993年)認為外源IAA不影響轉化酶活性。Godt等(1997年)發現,玉米素可誘導懸浮培養的番茄細胞中胞壁轉化酶基因Lin6表達。細胞分裂素類化合物可誘導結薯期馬齡薯酸性轉化酶活性[8]。蛋白質轉化酶抑制劑的研究日益受到人們的重視。Schwimmer等[9]首先在植物中發現了蛋白質轉化酶抑制劑的存在,並由Pressey[10]後來的研究加以確認。幾十年來,從最初在馬齡薯塊莖中發現了蛋白質轉化酶抑制劑,相繼在其他蔬菜儲藏組織中,如甜菜、紅薯等中發現了它的存在,甚至玉米胚乳中也可以檢測到,說明這種抑制劑在種子生長期已與轉化酶相伴而生。近期,已克隆出植物轉化酶抑制劑的CDNAs。
2.2轉化酶表達與植物防禦系統有關
植物的防禦系統對轉化酶表達有一定的調控作用。正常條件下,成齡葉中轉化酶基因表達水平低,難以檢測,而當病菌侵染或有傷害刺激時,其轉化酶基因大量表達[2]。各種病菌的侵染都可誘導轉化酶的活性,如Scholes等(1994年)發現,白粉病菌侵染後8 d的大麥葉片中,酸性轉化酶活性提高了3倍。病菌侵染後期還可能產生新的可溶性轉化酶同工酶。但是,植物受到傷害刺激時,並非所有的轉化酶基因都能表達。Godt等(1997年)發現,受傷的番茄葉中5種轉化酶基因僅有Lin6表達。在受傷的庫組織中,胞壁轉化酶表達活性的現象在胡蘿蔔等植物上也有報道。
2.3環境脅迫下轉化酶多態性表達及其生理調節
探討轉化酶在高溫、低溫、乾旱、鹽分等逆境脅迫下的表達及生理調節,對深入揭示轉化酶的生理功能,蔬菜抗逆栽培的理論與實踐及生理育種,以及蔬菜等植物逆境生理生態的研究均有重要意義。從某種意義上來說,環境脅迫下轉化酶的表達也受植物防禦系統的調控。低氧脅迫可迅速抑制玉米轉化酶的活性[11],水分脅迫下鷹嘴豆根中鹼性轉化酶活性增加,並受GA3和IAA的正向調節[12]。柴麗娜等[13]研究幾種冬小麥幼苗轉化酶活性與抗旱性關係,發現乾旱脅迫下,抗旱性強的小麥品種,可溶性低聚糖含量增加與脅迫時間呈正相關。轉化酶這一特性,可作為鑑定小麥品種抗旱性強弱的指標之一。程智慧等[14]以番茄六葉期幼苗為試材,研究不同梯度的水分脅迫對葉片轉化酶種類和活性表達及糖代謝的影響。結果表明,可溶性酸性轉化酶和胞壁轉化酶活性隨著水分脅迫強度的加大而增強,己糖和蔗糖水平提高。持續強水分脅迫使轉化酶和可溶性糖水平顯著增加,而澱粉含量降低。有研究探討了水稻灌漿期水分脅迫對糖代謝及相關酶活性的影響[15],結果表明:水分脅迫縮短了灌漿時間,但促進了灌漿速度並利於澱粉在籽粒中積累;轉化酶活性增強不大,與澱粉積累速率無明顯相關性。黃豆結莢初期水分脅迫對葉片和豆莢中碳水化合物積累的影響研究[16]結果表明,乾旱降低了葉片中蔗糖和澱粉的累積量,同時增加了己糖的累積量,但並不影響葉片中可溶性轉化酶的活性,卻在乾旱處理5~10 d以後,降低了豆莢中可溶性轉化酶活性。
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