摘要转化酶是生物体内糖代谢的关键酶,综述了转化酶多态性及其活性表达调控、转化酶基因等方面的研究;用分子生物学手段研究了转化酶基因对植物糖分积累的直接作用;研究了逆境下转化酶多态性表达及生理调节、调控。
　　关键词转化酶;多态性;糖代谢;基因;活性
　　中图分类号 r392.12 文献标识码a文章编号 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
　　
　　转化酶(invertase),又称蔗糖酶或β-d-呋喃果糖苷酶,是生物体内糖代谢的关键酶,在蔗糖代谢中催化如下反应:蔗糖+h2o→果糖+葡萄糖。WWw.11665.coM由于糖代谢是生物体内物质代谢的中心,蔗糖是高等植物光合作用的主要产物,是碳运输、“库代谢”、糖积累、果实品质形成中的重要因子,还是细胞代谢的调节因子,可能通过影响基因表达发挥作用。因此,与蔗糖代谢和积累密切相关的转化酶是近年来生理生化、生理生态及分子生物学研究的热点之一。
　　1转化酶的多态性及在蔗糖代谢中的作用
　　转化酶是高度多态的,包括酸性转化酶(acid invertase,ai)、中性转化酶(neutral invertase,ni)和碱性转化酶。许多报道将中性转化酶和碱性转化酶看作同一种转化酶。酸性转化酶主要存在于液泡或束缚于细胞壁上,其最适ph值在3.0~5.0;中性和碱性酶位于细胞质中,最适ph值在7.0左右。报道的转化酶的分子量大小为50~80 kd,为单体或二聚体。生殖器官中均有液泡转化酶表达。栽培番茄、野生番茄及转基因番茄研究表明,在果实成熟后期,液泡转化酶的表达与否决定着果实可溶性糖的组分[1]。原位杂交研究表明,胞壁转化酶可能存在于维管束系统[2]。转化酶的组织及亚组织定位研究表明,高活性的胞壁转化酶与组织的迅速生长有关,而高活性的液泡转化酶活性常与果实的发育或贮藏器官的迅速膨大有关[3],在幼苗、幼叶、幼根、幼果中都发现这一现象。快速生长的组织总是有高水平的ai活性,而ni的活性比ai的活性低很多。在甜瓜中,ai活性的增强为组织的快速生长提供作为碳源的己糖[4],网纹甜瓜果实转化酶通过水解蔗糖成为葡萄糖和果糖,以保持细胞的渗透压。
　　转化酶与果实发育、成熟和糖的积累相关。随着果实成熟和蔗糖的积累,ai活性降低。这一变化在网纹甜瓜[5-6]、甜菜等多种植物中都已发现。schaffer等[6]通过比较甜与不甜的2种瓜类品种,得出可溶性ai(液泡中)的活性降低是蔗糖储藏的一个首要条件。桃的蔗糖水解酶活力(不溶性ai及可溶性ai、ni)在幼果期较高,随着果实的发育,蔗糖积累而水解酶活力下降。ni作为一种胞质酶,在成熟组织中,ai水平较低,因而ni对蔗糖水解更为重要。在甘蔗、甜菜、柑橘、胡萝卜的成熟组织中发现了ni调节蔗糖代谢,但在未成熟组织中尚未见到。网纹甜瓜[5]ni活性在未成熟组织中较高,随着果实发育,其下降趋势与ai相同,gao等[4]认为在甜瓜果实蔗糖代谢中ni功能可能与其他蔗糖储藏型物种组织不同。
　　2转化酶活性表达调控研究
　　2.1抑制剂对转化酶活性的调节
　　转化酶的活性不仅受底物和产物的调节,而且受抑制剂等因素的调节。蛋白质转化酶抑制剂及naf都可有效地抑制液泡转化酶和胞壁转化酶。ga3可提高燕麦茎段等植物器官的转化酶活性,但外源ga3对番茄转化酶基因表达无影响。许多研究认为,iaa可提高液泡转化酶活性[7],但miyamoto等(1993年)认为外源iaa不影响转化酶活性。godt等(1997年)发现,玉米素可诱导悬浮培养的番茄细胞中胞壁转化酶基因lin6表达。细胞分裂素类化合物可诱导结薯期马龄薯酸性转化酶活性[8]。蛋白质转化酶抑制剂的研究日益受到人们的重视。schwimmer等[9]首先在植物中发现了蛋白质转化酶抑制剂的存在,并由pressey[10]后来的研究加以确认。几十年来,从最初在马龄薯块茎中发现了蛋白质转化酶抑制剂,相继在其他蔬菜储藏组织中,如甜菜、红薯等中发现了它的存在,甚至玉米胚乳中也可以检测到,说明这种抑制剂在种子生长期已与转化酶相伴而生。近期,已克隆出植物转化酶抑制剂的cdnas。
　　2.2转化酶表达与植物防御系统有关
　　植物的防御系统对转化酶表达有一定的调控作用。正常条件下,成龄叶中转化酶基因表达水平低,难以检测,而当病菌侵染或有伤害刺激时,其转化酶基因大量表达[2]。各种病菌的侵染都可诱导转化酶的活性,如scholes等(1994年)发现,白粉病菌侵染后8 d的大麦叶片中,酸性转化酶活性提高了3倍。病菌侵染后期还可能产生新的可溶性转化酶同工酶。但是,植物受到伤害刺激时,并非所有的转化酶基因都能表达。godt等(1997年)发现,受伤的番茄叶中5种转化酶基因仅有lin6表达。在受伤的库组织中,胞壁转化酶表达活性的现象在胡萝卜等植物上也有报道。
　　2.3环境胁迫下转化酶多态性表达及其生理调节
　　探讨转化酶在高温、低温、干旱、盐分等逆境胁迫下的表达及生理调节,对深入揭示转化酶的生理功能,蔬菜抗逆栽培的理论与实践及生理育种,以及蔬菜等植物逆境生理生态的研究均有重要意义。从某种意义上来说,环境胁迫下转化酶的表达也受植物防御系统的调控。低氧胁迫可迅速抑制玉米转化酶的活性[11],水分胁迫下鹰嘴豆根中碱性转化酶活性增加,并受ga3和iaa的正向调节[12]。柴丽娜等[13]研究几种冬小麦幼苗转化酶活性与抗旱性关系,发现干旱胁迫下,抗旱性强的小麦品种,可溶性低聚糖含量增加与胁迫时间呈正相关。转化酶这一特性,可作为鉴定小麦品种抗旱性强弱的指标之一。程智慧等[14]以番茄六叶期幼苗为试材,研究不同梯度的水分胁迫对叶片转化酶种类和活性表达及糖代谢的影响。结果表明,可溶性酸性转化酶和胞壁转化酶活性随着水分胁迫强度的加大而增强,己糖和蔗糖水平提高。持续强水分胁迫使转化酶和可溶性糖水平显著增加,而淀粉含量降低。有研究探讨了水稻灌浆期水分胁迫对糖代谢及相关酶活性的影响[15],结果表明:水分胁迫缩短了灌浆时间,但促进了灌浆速度并利于淀粉在籽粒中积累;转化酶活性增强不大,与淀粉积累速率无明显相关性。黄豆结荚初期水分胁迫对叶片和豆荚中碳水化合物积累的影响研究[16]结果表明,干旱降低了叶片中蔗糖和淀粉的累积量,同时增加了己糖的累积量,但并不影响叶片中可溶性转化酶的活性,却在干旱处理5~10 d以后,降低了豆荚中可溶性转化酶活性。

soussi等[17]发现,在盐分胁迫下的2个鹰嘴品种中的一个因碱性转化酶活性增加而维持代谢。另有研究发现[18],高浓度盐胁迫降低番茄果实生长率并使成熟果实减重达44%,而中浓度盐胁迫影响不大;相应的胞质中中性转化酶活性增强,酸性转化酶活性变化更大,相似的试验研究表明[19],盐分胁迫下番茄叶片中蔗糖的累积量高,相应的酸性转化酶活性低,这种情况下,叶片中蔗糖的高积累及幼果中淀粉的快速合成是成熟果实中高糖累积的重要原因。adele等用不同梯度的nacl处理kikuyu草(pennisetum clandestinum hochst)[20],盐胁迫15 d后,在150 mmol/l和200 mmol/l nacl梯度处理下的叶片中转化酶活性明显增强而根中转化酶活性降低,说明高盐环境中,己糖积累量显著,这些结果为此草在高盐环境中的栽培利用提供了理论依据。shin等在对百合球茎进行冷处理后发现转化酶活性下降[21]。青花菜采收后贮藏在20 ℃下,其酸性转化酶活性增强,高湿和气调贮藏下,酸性转化酶活性降低[22];这些试验结果证明酸性转化酶是导致植物中蔗糖含量下降的主要因子,其活性表达会使采后的青花菜耐贮性降低。
　　3转化酶基因方面的研究
　　sturm等(1990年)从高等植物中找出了第1个转化酶基因(胡萝卜胞壁转化酶基因),最近又从胡萝卜中克隆了一个中性转化酶的cdna。人们已从大量植物中鉴定和克隆了转化酶基因和cdna,并发现许多区域专化的转化酶有2个或更多的基因编码,保证了酶活性的时空稳定性。但克隆的基因中,仅有1个是编码胞壁转化酶的。番茄上,已克隆出细胞壁转化酶基因lin5、lin6、lin7、lin8和液泡转化酶基因tiv1,在番茄野生种(蔗糖积累性)l.chmielewskii中,tiv1基因紧密固定于3号染色体的sucr座上,控制其蔗糖积累。sato等[23]从番茄中克隆了编码细胞壁ai的一条cdna,有2 363个碱基对,其中包含了编码636个氨基酸的长为1 908个碱基对的开放阅读框,rna印迹分析表明ai的rna长约2.5 kb。克隆到的编码玉米细胞壁转化酶的基因家族的incw3和incw4等2个成员,前者包含6个外显子和5个内含子,后者包含5个外显子和4个内含子[24]。incw4蛋白序列的等电点研究表明该基因编码唯一的游离在质外体的转化酶。rt-pcr和原位rt-pcr杂交结果表明incw3基因表达有器官和组织特异性,并且该基因随发育进程自我调控表达。于喜艳等[25]的研究是根据酸性转化酶的保守序列设计引物,采用rt-pcr方法,从番茄果实总rna扩增出目标cdna片断,克隆到pmd18-t载体中。在所测的1 038个核苷酸中,与genbank中登记号为m81081的番茄果实酸性基因同源性为99%。jiang等根据抑制消减杂交方法分离到水稻叶片中高表达的蔗糖转化酶基因片断[26],根据水稻基因组顺序设计引物分离到全长cdna,测序表明其长度为1 937 bp,推测其编码1个含627个氨基酸的中性/碱性蔗糖转化酶。alignment分析显示此蛋白质与已知的多个蔗糖转化酶具有很高的同源性。1990年,schaewen等首次将酵母转化酶基因suc2正义拷贝导入烟草和拟南芥,获得转基因植株[27]。胡萝卜表达细胞壁转化酶反义mdna植株与对照比,叶片多且蔗糖和淀粉含量高,主根小且碳水化合物水平低[28]。反义转化酶基因的表达抑制了转化酶活性,引起番茄果实中蔗糖的积累[29]。在番茄t0代中,转反义基因果实有较高比例的蔗糖,进一步研究表明,在t1代中,部分转基因果实中蔗糖积累较多,而另一些转基因植株尽管反义基因拷贝数是t0代的2倍,果实中的蔗糖比例反而下降,推测与基因沉默有关。许多研究者认为,l.c hmielewskii的转化酶基因的转录沉默,是l.esculentum和l.chmielewskii杂交子代番茄蔗糖积累的基础[30]。
　　4结论
　　高等植物的蔗糖代谢是一个复杂的过程,其关键转化酶在植株体内分布及在蔗糖积累过程中的变化动态已有研究,用分子生物学手段研究有关转化酶的基因对果实糖分积累的直接作用是一个研究方向,另外对环境胁迫与转化酶调节的研究提供了好的基础,但涉及的逆境领域及积累资料还十分有限。由于植物和农作物的生长周期大多处于逆境生态下,因此研究各种逆境下转化酶的多态性表达及生理调节、调控仍具有重要的现实意义。
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