植物蔗糖酶的研究進展
司麗珍(1)儲存成人才(2)
(中國科學院遺傳與發育生物學研究所，北京100101)
在大多數高等植物中，蔗糖是碳水化合物同化產物從源到庫的主要運輸形式。在庫中，蔗糖酶能將蔗糖水解成葡萄糖和果糖，以滿足植物生長發育對碳源和能量的需求。本文綜述了近年來蔗糖酶的壹些研究進展，包括蔗糖酶的分類、基本性質、基因結構，
酶活性和功能的調節。
植物，蔗糖酶，活性調節，功能
它被稱為細胞外蔗糖酶。對於不同的蔗糖酶反應是最必需的。
0簡介
植物通過光合作用將C O 2固定在葉片(源組織)中。
定義為碳水化合物，然後運輸到非光合組織(庫組織)。大多數植物以非還原二糖如蔗糖的形式將碳水化合物同化產物從源運輸到庫。在庫組織中，蔗糖分解為己糖，為植物生長發育提供碳源和能量。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).蔗糖合酶是壹種糖基轉移酶，在UDP存在下將蔗糖轉化為尿苷二磷酸葡萄糖和果糖。蔗糖酶是壹種水解酶，將蔗糖水解成葡萄糖和果糖。蔗糖酶有多種同工酶，位於不同的亞細胞位置，具有不同的生化特性[1，2]。雖然它們的功能特異性尚不清楚，但已知蔗糖酶主要參與調節植物對蔗糖的不同利用方式。由於糖在植物中不僅作為能量使用，還是基因表達的重要調節物質之壹，蔗糖酶也間接參與了細胞分化和植物發育的調節。鑒於此，蔗糖酶的研究無論在理論上還是在實踐上都具有重要的意義，備受關註。本文介紹了近年來的研究進展。
適宜的pH值也不同，所以蔗糖酶可分為酸性蔗糖酶和中性/堿性蔗糖酶。液體細胞蔗糖酶和細胞壁蔗糖酶在pH 4時催化效率最高。五比五。0，所以也被稱為酸性蔗糖酶。細胞質蔗糖酶的最適pH值為中性或微堿性，故稱為中性/堿性蔗糖酶。蔗糖酶按其溶解度可分為可溶性蔗糖酶(包括液體細胞蔗糖酶和細胞質蔗糖酶)和不溶性蔗糖酶(細胞壁蔗糖酶)。
2蔗糖酶的基本性質
大多數植物至少含有兩種液體細胞蔗糖酶，它們都以可溶性蛋白質的形式存在。而細胞壁蔗糖酶是以離子鍵的形式結合在細胞壁上的，而且有很多同工酶。液體細胞型和細胞壁型蔗糖酶在pH4時效率最高。五比五。0，並從果糖殘基進攻蔗糖，所以這種酸性蔗糖酶稱為β-呋喃果糖苷酶。正因為如此，酸性蔗糖酶還可以催化其他含β-果糖的多糖的水解，如水蘇糖和棉子糖。目前已從許多植物中分離出酸性蔗糖酶，成熟肽的分子量大多在55 ~ 70kd之間。變性SDS凝膠電泳顯示70kD的液體細胞蔗糖酶可水解成30kD的N端和38kD的C端。它們在蔗糖濃度很低時有壹個Km值，酶活性受重金屬離子如Hg2+和Ag 2+的抑制，說明催化中心存在巰基。酸性蔗糖酶也受到其反應產物的抑制，葡萄糖是非競爭性抑制劑，果糖是競爭性抑制劑[3]。
此外，植物中至少存在兩種細胞質蔗糖酶，其水解蔗糖的最適pH為中性或堿性。中立還是有偏見
1蔗糖酶的分類
根據蔗糖酶在植物中的亞細胞位置，蔗糖酶可分為液體細胞蔗糖酶、細胞質蔗糖酶和細胞壁蔗糖酶。前兩種也叫細胞內蔗糖酶，細胞壁蔗糖酶也叫細胞內蔗糖酶。
①女，出生於1974，博士生；研究方向:分子遺傳學。
②聯系人。
-03-29(接收日期:2002年)
高科技通訊2002年8月
堿性蔗糖酶的特性尚不清楚，但與酸性蔗糖酶相比，這些酶具有蔗糖特異性。堿性蔗糖酶多以同源四聚體形式存在，分子量約為54 ~ 65 KD，其Km(蔗糖)為10 mmol/L，酶活性受反應產物葡萄糖和果糖的抑制，不受重金屬離子的抑制[4]。由於中性蔗糖酶很難分離，對它們的研究很少。
糖苷酶分析表明，它們的表達具有器官特異性，Lin6具有庫組織特異性，而Lin5和Lin7具有雄蕊特異性和雌蕊特異性，表明這兩個基因與花器官中的碳相關。
供應水同化產品[13]。在番茄中，也已經分離出1液體細胞蔗糖酶基因和4個細胞壁蔗糖酶基因，它們的表達具有器官特異性[14]。這說明植物中的酸性蔗糖酶是由壹個小基因家族編碼的，這些基因在植物發育過程中特定的時間和空間獨立表達。
除了器官和發育特異性表達，糖的組成和濃度
酸性蔗糖酶已從番茄、擬南芥、玉米、Hu。
蘿蔔[7]被克隆，其基因結構基本相同，含有6 ~ 8個外顯子[2]。除了胡蘿蔔的細胞壁蔗糖酶[7]，所有基因都包含壹個微小的外顯子，它只編碼NDPNG中心的壹個三肽(DPN)，壹個保守元件。在馬鈴薯中，這個最小的外顯子具有特殊的交叉特征[8]。當轉化酶基因正常表達時，沒有發現轉錄後加工錯誤。然而，在冷脅迫下，RNA剪切加工過程被破壞，轉錄產物的外顯子被刪除。目前尚不清楚這種切變異常是否具有生理生化效應。酸性蔗糖酶的氨基酸序列分析表明，N-端有壹個信號肽和壹個前肽。前肽的功能尚不明確，推測可能與蛋白質折疊、蛋白質定位有關[9]，或者與酶活性的控制有關[10]。
關於中性/堿性蔗糖酶的研究很少。從胡蘿蔔中克隆的中性蔗糖酶N端無信號肽，富含半胱氨酸，與酸性蔗糖酶同源性低[11]。
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3蔗糖酶的基因結構
程度也能顯著影響這些酸性蔗糖酶的表達。不
同壹株植物中不同的蔗糖酶，同壹株植物對糖的反應不同。目前，已經確定了兩種具有不同反應的基因。第壹類隨著碳水化合物的增加而增加表達，另壹類對它們有負調節作用，降低蔗糖的含量而增加表達，對葡萄糖、蔗糖等代謝糖的反應相似。有趣的是，可溶性酸性蔗糖酶基因在美洲藜細胞中的表達不受糖的影響，而細胞壁蔗糖酶基因的表達隨著糖含量的增加而增加。在胡蘿蔔中，糖對酸性蔗糖酶沒有影響。不同植物中不同酸性蔗糖酶基因對蔗糖反應不同的原因尚不清楚。壹種可能是，在植物中，比如胡蘿蔔，植物儲存了大量的糖，所以糖的含量作為酸性蔗糖酶的調節劑是不利的，糖的調節功能可能在進化中沒有被開發出來或者喪失了。在這些植物中，短期的生理變化僅導致糖含量的輕微變化，不足以有效調節蔗糖酶基因的表達。
在許多植物中，植物生長調節劑如生長素[17]、赤黴素[18]或細胞分裂素也能提高酸性轉化酶的活性。目前尚不清楚植物激素是否直接調節轉化酶的表達，或者激素是否導致細胞增殖並產生新的庫組織。在美洲藜的組織培養細胞中，由於細胞分裂素的影響，細胞壁蔗糖酶和葡萄糖載體的轉錄同時增加[19]，這很可能是由於激素刺激細胞增殖導致碳源供應增加。損傷還可以調節酸性蔗糖酶基因的表達。例如，可溶性酸性蔗糖酶的活性在成熟馬鈴薯塊莖切片中顯著增加[20]，在18小時迅速達到峰值，然後下降。當胡蘿蔔根冠受到機械損傷時，其細胞壁中蔗糖酶的表達也發生變化，mR NA在傷後12小時達到最高值，並伴隨著酶活性的升高。損傷對其表達的影響不是系統性的，活性的變化僅限於損傷部位。
酸性蔗糖酶活性升高與不同疾病感染的關系也有很多報道[21]。在胡蘿蔔的根冠中，它與病毒相連。
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蔗糖酶的調節
由於中性/堿性蔗糖酶的活性在提取過程中容易損失，所以對它們的研究很少。關於酸性蔗糖酶的調節有大量的信息。
在擬南芥中，酸性蔗糖酶由至少四個基因編碼:at be-tafuc1、fruc2、fruc3和fruc4，包括細胞壁蔗糖酶基因和液體細胞蔗糖酶基因。對它們表達模式的分析表明，它們的表達具有器官或發育特異性[12]。對於βfr UC 1基因處的細胞壁型，其在成熟葉片中表達活性很高，但在子葉和花器官中不表達。atβfr uc2基因在花器官中特異表達。液體細胞A型fruc3的表達模式與前兩種細胞壁蔗糖酶完全不同。Northern和RT -PCR結果表明，該基因在子葉中高表達，而在成熟葉、根和花器官中低表達。在βfr，uc 4在幼葉中表達，但在成熟葉中不表達。馬鈴薯胞外甘蔗[1]
植物蔗糖酶的研究進展
觸碰1小時後，蔗糖酶轉錄水平達到最高，之後迅速下降。和損傷壹樣，疾病浸染對其表達的影響也不是系統性的，活性的變化也僅限於浸染。
位置。
這種變化不僅說明了細胞伸長過程中蔗糖需要轉化為單糖，也說明了細胞增殖過程中蔗糖需要作為代謝底物。可見，液泡酸蔗糖酶通過調節蔗糖在植物生長中起重要作用。
蔗糖酶在不利條件下維持細胞的正常功能也有壹定的作用。比如非季節性降雨、高溫、收獲延遲等。都能導致蔗糖的再轉移以適應外界的變化[28]。在轉基因煙草中，酵母蔗糖酶的表達提高了植物的耐鹽性，鹽脅迫下植物的光合作用沒有變化，而野生型的光合作用在相同條件下受到抑制。進壹步分析證明，轉基因植株的滲透壓顯著高於對照，表明蔗糖酶可以通過調節植物的滲透壓來提高植物的耐鹽性。
像細胞內蔗糖酶壹樣，細胞外蔗糖酶也在調節同化物的分配和抵抗逆境中發揮重要作用[30]。胞外蔗糖酶在信號轉導中的作用將有助於闡明其在源庫調節中的作用。在轉基因胡蘿蔔中，胞外蔗糖酶和液體細胞酸蔗糖酶在植物生長發育中起著重要作用[31]，在植物的早期發育中尤其需要胞外蔗糖酶。5.2源-匯關系的調節
酸性蔗糖酶在調節源庫關系中的調節作用已經通過分子操作技術在煙草、擬南芥、馬鈴薯和番茄等模式植物中得到證實。酵母蔗糖酶在亞細胞不同部位的過量表達證明了它在光合產物的長距離運輸中起著重要作用[32，33]。無論酵母的蔗糖酶在煙草的液體細胞或細胞質中表達，轉基因植物都表現出異常生長、源葉中碳水化合物積累、根形成延遲和嚴重矮化，葉片中積累澱粉和可溶性糖，這表明轉基因植物的糖轉運平衡被破壞。當蔗糖酶在細胞質中表達時，澱粉和可溶性糖在源葉和庫葉中積累，葉片卷曲，表明細胞分裂和細胞生長在葉頂相對較快。在馬鈴薯的源葉中，酵母蔗糖酶過量表達，轉基因植株表現為葉片萎縮，生長受阻，塊莖數量減少。在細胞水平上，源葉中己糖、澱粉和氨基酸的含量增加，尤其是脯氨酸，比野生型高40倍。轉基因植株的光合速率下降，滲透壓升高，1，5- rubp羧化酶(Rubisco)的蛋白質含量不變，但在激活狀態下的比例和催化效率下降[34]。在轉基因煙草、擬南芥和番茄中觀察到相同的表型，盡管不同植物中的抑制程度不同[2]。然而，在馬鈴薯塊莖的細胞質中，
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5蔗糖酶的功能
5.1對植物生長的調節
蔗糖在植物中有許多重要的功能(營養、滲透調節、信號分子)，蔗糖酶也是如此。
在大多數情況下，蔗糖酶將蔗糖水解成己糖供呼吸消耗，或作為碳源和能量合成許多其他化合物。蔗糖酶可以參與韌皮部中蔗糖的長距離運輸[22]。此外，蔗糖酶將蔗糖分解為葡萄糖和果糖，可以大大提高細胞的滲透壓，表明蔗糖可能在細胞伸長和植物生長中發揮作用[23]。
在大多數研究中，蔗糖酶的功能是通過測量蔗糖酶在生理過程中的活性來推斷的。例如，在快速生長的胡蘿蔔根或豆莖中，蔗糖酶的活性很高，而這些組織中的蔗糖含量很低或能迅速降低，所以酸性蔗糖酶在這些組織中的作用是水解蔗糖，以滿足植物對還原糖的高需求[4]。酵母蔗糖酶在豌豆子葉中的表達導致蔗糖含量的降低和己糖的積累。轉基因植物的細胞含有大液泡，這種液泡可以持續很長時間。然而，在野生型中，大液泡經常被小蛋白質取代。當植物變得成熟或脫水時，轉基因植物出現質壁分離，同時在內膜系統中形成小泡[24]。植物組織的生長不僅需要己糖作為碳源和能源，還需要壹種細胞伸長的驅動力，即細胞的滲透壓平時相對穩定，但在細胞壁伸長時增加。通過分析重力作用下枕葉上下部分的反應，獲得了可溶性酸性蔗糖酶在滲透調節中起作用的壹個間接證據。在下部，轉化酶活性增加了3倍，證明植物生長的壹個潛在驅動力是滲透壓梯度。
在發育中的向日葵下胚軸中，發現細胞伸長速率和酸性蔗糖酶活性之間有很強的正相關性[4]。Woodson和王(1987)的研究表明，盛開的香石竹花中可溶性酸蔗糖酶活性和還原糖水平的增加是調節香石竹花瓣生長的壹個非常重要的因素，這些還原糖主要來源於蔗糖的輸入和後續的水解[25]。
在甘蔗中，液態細胞酸性蔗糖酶的活性在未成熟和旺盛的莖組織中非常高，並且其活性隨著莖成熟度的增加而降低[26，27]。液體細胞酸蔗糖酶
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高科技通訊2002年8月
轉化酶在酵母中的異源表達導致更小的塊莖和更低的產量，但是塊莖的數量增加。如果這個基因在塊莖細胞中定位表達，結果正好相反，即塊莖變大，數量減少，但產量增加。通過反義技術，降低了番茄胞內酸性蔗糖酶的表達。雖然植物生長沒有顯示異常，但果實變小了[35]。以上結果表明，可以通過改變蔗糖的代謝來調節庫的大小。
酵母蔗糖酶基因在泛素啟動子的控制下導入甘蔗愈傷組織。
[38][36, 37]
酵母蔗糖酶在馬鈴薯塊莖細胞質和細胞間的特異性表達，導致蔗糖含量降低，葡萄糖含量增加。塊莖細胞質中蔗糖酶活性的增加加快了糖酵解的速度。
度，導致磷酸化中間體的積累，但這些磷酸化中間體並沒有被用來合成澱粉。此外，蔗糖酶的細胞間表達不會增加磷酸己糖的含量[37]。
6問題和前景
目前，酸性蔗糖酶的研究取得了很大進展。不僅純化了蔗糖酶，而且建立了活性測定方法。此外，它們的cDNA已經從許多植物中克隆出來，並在轉基因植物中表達和鑒定。但是對於植物中的蔗糖酶來說還有很多問題需要解決，比如:1)為什麽不同亞細胞中的蔗糖酶有不同的特性，如何協調？2)中性/堿性蔗糖酶的作用是什麽？3)是否有其他代謝產物或物質調節蔗糖酶的表達，等等。這需要生理學、生物化學和分子生物技術的有機結合。這些問題的最終解決方案將有助於更好地操縱植物中碳水化合物的代謝和分布。
參考資料:
Sturm A . J Exp Bot，1996，47:1187
-Lalanne Z，Kreis M . A dv Bot Res，1998，28:71[2] Tymowska
[3] Arai M，Mori H，Imaseki H .植物細胞生理學，1991，32:
1291
[4]植物生理學教授，1999，121:1
[5]埃利奧特·K·J，巴特勒·W·O，迪金森·C·D，等
Biol，1993，21:515
[6]徐軍，彭伯頓，阿爾米拉，等.植物細胞，1995，108:1293
-Lorenz K，Knudsen S，Sturm A . Plant J，1993，[7]拉姆洛克
4:545
[8]伯恩·阿斯，赫德利·佩，馬迪森·阿斯，等.核酸
決議，1996，24:2347
[9] Klionsky D G，Banta L M，Emr S D . Mol細胞生物學，1988，
8:2105
[10]Hasilik A，Tanner W . Eur J Biochem，1987，91:567
231
[15]徐軍，阿維尼翁，麥卡迪，等.植物細胞，1996，
8:1209
[16]羅伊茨赫，比特納，戈特，植物生理學，1995，108:
在這些細胞的細胞質和胞質中。
蔗糖酶活性增加，但蔗糖積累減少。通過櫃臺
正義表達，降低轉基因番茄中酸性蔗糖酶的活性，可以改變蔗糖與己糖的比例[35，39]。盡管轉基因植株與野生型在表型上沒有差異，但果實比對照減少了30%，這表明該基因在文庫的發展中起著重要作用。5.3儲存庫中蔗糖分布的調節
壹個有爭議的問題是蔗糖酶是否參與種子、塊莖和根等庫器官的蔗糖代謝。蔗糖合酶是萊姆豌豆種子和馬鈴薯塊莖發育過程中蔗糖降解的主要酶，蔗糖酶降解蔗糖的量非常低[40]。這壹結論也與小麥胚乳發育的研究結果相壹致。蔗糖合酶在整個胚乳中是活躍的。
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發育過程中蔗糖酶的活性高於蔗糖酶。Weber等人(1995)在研究種子發育過程中光合產物的排放和分配機制時，得出了相反的結論。在預貯藏期間，他們發現子葉和胚乳中高水平的己糖含量與種皮中高細胞壁蔗糖酶活性正相關。基於此，他們提出了壹個模型，其中蔗糖酶調控種子發育早期的卸載過程，細胞壁蔗糖酶的作用是在早期建立池的強度。
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Miller等人(1992)在研究玉米的遺傳缺陷突變體時也得出了同樣的結論。在該突變體中，種子重量僅為正常種子的1/5，蔗糖酶無活性，幹擾光合產物向發育中的種子運輸。
在果實等糖的貯藏器官中，高酸性蔗糖酶活性與己糖的積累密切相關。在主要儲存蔗糖的野生番茄果實中，蔗糖酶的活性下降很低，但在主要儲存己糖的栽培番茄果實中，蔗糖酶的活性在果實成熟開始時增加[44]。通過反義或基因抑制降低蔗糖酶的活性，可使果實主要儲存己糖轉變為蔗糖，說明番茄中存在壹種可溶性蔗糖酶，控制糖的組成。在對低溫貯藏的馬鈴薯塊莖糖的研究中也得到了類似的結果。通過反義手段降低蔗糖酶的活性，導致己糖/蔗糖比降低，但不改變總糖含量[45]。因此，可溶性酸性蔗糖酶作為糖組分的調節劑。[35, 39]
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植物蔗糖酶的研究進展
285
[17]Morris D A，Arthur E D .植物化學，1984，23:2163[18]Wu L L，Mitchell J P，Cohen N S，等. Int J Plant Sci，
1993, 154:280
[19] Ehness R，Roitsch T. Plant J，1997，11:539[20]Matsus Hitak，Uritani I. Plant Physiol，1974，54: 64。
植物轉化酶的研究進展
司禮真，楚蔡程
(中國科學院遺傳與發育生物學研究所，北京100101)
壹份摘要
在高等植物中，蔗糖是同化碳從“源”組織轉運到“庫”組織的主要來源，蔗糖在“庫”組織中被轉化酶分解成谷氨酸和果糖，為細胞提供碳和能量，以利於植物的生長和發育。因此，轉化酶在源庫相互作用和植物能量供應中起著重要作用。本文綜述了蔗糖酶的分類、主要特性、基因調控及其功能的研究進展。
關鍵詞:植物，轉化酶，調控