细胞壁转化酶

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水稻胚乳细胞壁性状与稻米食味品质的关系

水稻胚乳细胞壁性状与稻米食味品质的关系YUAN Ming-an【摘要】食味品质是构成稻米品质的重要性状,目前主要以直链淀粉含量、胶稠度等理化指标进行评价,但仍不能全面准确反映米饭食味品质的优劣,成为困扰水稻品质育种的难题之一.近年研究表明,胚乳细胞壁的含量和组分与稻米食味品质密切相关,为水稻品质研究开拓了新思路.基于此,对水稻胚乳细胞壁的品质效应及其遗传研究领域取得的进展进行探讨,以期为稻米食味品质改良路径提供有益补充和理论依据.【期刊名称】《园艺与种苗》【年(卷),期】2018(000)012【总页数】5页(P60-64)【关键词】水稻;细胞壁;食味品质【作者】YUAN Ming-an【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】S511水稻是我国三大主要粮食作物之一，稻米是城乡居民最主要的口粮[1]。

随着人们生活水平的不断提高，人们对口粮的需求实现了从吃饱到吃好再到吃出健康的跨越，对稻米品质也提出了更高要求，这也促进了水稻育种目标从以高产为核心向优质、高产、抗病兼顾方向发展[2]。

稻米的品质主要包括食味品质、蒸煮品质、营养品质、外观品质和加工品质[3]，其中食味品质是评价稻米品质最重要的指标。

大量研究表明，稻米的食味品质与其直链淀粉含量、胶稠度、糊化温度、蛋白质含量等理化特性有关，与此同时，直链淀粉含量等指标相似的水稻品种间，米饭的质地、硬度、口感等食味品质存在相差甚远的现象，表明传统理化指标并不能全面准确地评价米饭食味品质，破解这一难题成为水稻品质研究的重要研究方向。

近年来，随着对稻米胚乳细胞壁成分和含量研究的不断深入，细胞壁对稻米品质尤其是口感和质地等食味品质的影响和效应研究受到广泛关注，并取得一定进展。

笔者主要通过分析胚乳细胞壁的成分与功能及其与稻米食味品质的关系，探讨稻米食味品质评价方法及其品种改良等方面的现状，找出当前稻米食味品质评价方法存在的不足与问题，以期更科学、精确、高效地对大米食味品质进行评价，为今后水稻品质育种领域的发展提供有益补充与建议，提高稻米品质与价值，满足人们日益升级的口粮消费需求。

2007糖在植物中的感知与信号传导研究进展

西北植物学报,2007,27(10):2118-2127Acta Bot.Boreal.2Occident.Sin. 文章编号:100024025(2007)10221182103糖在植物中的感知与信号传导研究进展雷美玉1,李辉亮1,刘立元2,彭世清13(1中国热带农业科学院热带生物技术研究所,海口571101;2湖南省常德市第四中学,湖南常德415000)摘　要:糖在植物中不仅用于能量的代谢,同时还作为信号分子调控植物的生长和发育.本文对植物体内糖信号的产生、糖类对植物体生长发育与胁迫反应的调节作用、糖与植物激素信号之间的传感关系以及糖信号调节的分子机制等的研究进展进行了综述.关键词:糖信号;葡萄糖;蔗糖;己糖激酶;Snf1相关激酶,信号传导中图分类号:Q53文献标识码:ASugar Sensing and Signaling in PlantsL EI Mei2yu1,L I Hui2liang1,L IU Li2yuan2,PEN G Shi2qing13(1Institute of Tropical Biosciences and Biotechnology,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Haikou571101,Chi2 na;2Changde NO.4Middle School,Changde,Hunan415000,China)Abstract:Sugars not only f uel cellular carbon and energy metabolism but also play pivotal roles as signaling molecules.This paper reviewed recent advances how sugar signals are generated and carbon metabolism in source and sink tissues to modulate growt h,develop ment,and stress responses.The interactions between sugar and plant hormone signaling,molecular mechanisms in plant sugar signaling are also reviewed in t his paper.K ey w ords:sugar signal;glucose;sucro se;hexokinase;Snf12related protein kinase;signal t ransduction 地球上大部分生物都依赖光合作用进行碳的固定,并把光能储存在糖分子中,与此同时产生氧气.糖在生物体中具有重要的调节功能,比如生物早期进化、控制新陈代谢、应激反应、生长发育等.近年来研究发现证实了糖作为信号分子在植物体生长和发育中起着重要作用.本文就糖在植物中的感知与信号传导的研究进展进行综述,为相关研究工作提供系统的信息与参考.1　植物体内的糖信号糖在植物中的调节机制相当复杂,不同部位的糖信号来源于不同类型的糖源.糖代谢是一个耗能的动态过程,糖浓度在植物发育过程中有很大的变化,且与环境信号例如昼夜更替和生物与非生物的胁迫相关[1].一般来说,源活性像光合作用、营养调节及输出能够在低糖条件下上调,而库活性像生长和储存能量在碳源丰富的时候才被上调.光合作用和库的需求有严格的协同作用,并且这种协同包括代谢调节和特定的糖信号调节机制[2].光合作用和碳代谢及其分配是糖信号的主要靶位点,属于一种反馈调节[3].尽管在植物体内蔗糖是光合作用的主要产物并且是能够运输的糖类,但许多糖信号在生长与代谢中是通过糖水解的产物如葡萄糖和果糖(或它们下游的代谢中产物)得到分配.新的研究证3收稿日期:2007203230;修改稿收到日期:2007208222作者简介:雷美玉(1982-),女(瑶族),在读硕士研究生,主要从事植物分子生物学的研究.E2mail:leimeiyu1982@ 3通讯作者:彭世清,博士,研究员,博士生导师,主要从事植物分子遗传学的研究.E2mail:shqpeng@据表明蔗糖和海藻糖调节特定的细胞应答并不受己糖的影响或者影响极小[4].在光合作用(源)细胞中,由卡尔文循环产生的光合产物主要以丙糖磷酸盐的形式从叶绿体转运到细胞溶胶,在这里进行糖酵解或转变成蔗糖供局部器官利用或运输到库组织中去,但蔗糖输入和输出依赖于叶细胞中源库的状态[5].生物、非生物的胁迫和激素信号也能够诱导细胞壁转化酶(cell wall in2 vertase,CW2INV)的表达和叶组织中库的形成,多余的光合产物则以淀粉的形式暂时在白天储存在叶绿体中[4].葡萄糖主要来自叶细胞中叶绿体内的淀粉水解(主要以麦芽糖和葡萄糖的形式输出)和来自淀粉质体(淀粉质体即淀粉储存器官)中的淀粉水解[5].在库组织中,蔗糖能够通过胞间连丝(共质体运输)或细胞壁(质外体运输)输入细胞内.胞内的蔗糖在细胞质转化酶(cytosolic invertase,C2INV)的作用下产生葡萄糖和果糖,或者通过蔗糖合成酶(su2 cro se synt hase,SU S)作用产生果糖和UDP2葡萄糖;蔗糖也能输入并储存在液泡内,在液泡转化酶(vacuolar invertase,V2INV)的作用下产生己糖;在质外体中,蔗糖通过CW2INV水解产生高水平葡萄糖和果糖,形成库强度;果糖也通过己糖转运蛋白转运并被吸收,己糖转运蛋白与CW2INV共同表达并协同调节整个过程[2].C2INV、CW2INV和SU S的反馈调节是通过糖信号诱导一个敏感的自我调节系统而完成.糖信号的产生除与光合作用和淀粉及蔗糖的分解密切相关以外,在黑夜、糖消耗、衰老和病原菌侵染等胁迫条件下一些细胞壁中糖基水解酶活性的加强,由细胞壁多糖水解同样可能产生糖信号;糖信号的产生也与硝酸盐、磷酸盐和硫酸盐等营养物质的利用存在密切的关系[6].在植物体内,昼夜更替对营养的获得的影响已经得到了证实,酶的昼夜调节包括碳的分配使可利用的资源得到更好的利用[7].此外,糖信号在昼夜基因表达的调控过程中起决定性的作用[1].因此糖信号在植物中的产生和调节是相当复杂的.2　糖类对植物生长与发育的控制2.1　种子发育与萌芽从研究胚胎和种子发育过程中发现糖在植物生长与发育中的调节机制,例如,豌豆(V ici a f aba)在早期种子发育中,高水平的CW2INV活性提高了己糖的水平,使得胚通过细胞分裂得到快速生长[8];在拟南芥(A rabi dopsis t hali ana)子叶发育过程中葡萄糖浓度与有丝分裂的活性相关,葡萄糖作为发育激发因子对细胞周期蛋白D基因的表达进行调节[9];拟南芥种子发育也与豌豆具有同样的机制,其主要不同在于它的储存物以脂类为主[10].拟南芥w ri nkled1突变体(种子中油的含量大量下降)中缺乏A PETAL A2(A P2)型TF(t ranscription factors, TF),它能控制糖酵解基因的表达并能活化由蔗糖转化成三脂酰甘油生物合成前体过程,而且A P2 TF缺失突变体在胚胎中的细胞大小、数量的增加与在整个胚胎发育中己糖与蔗糖比率的上升有关,表明这种A P2TF是通过调节糖代谢产物作用,引发糖信号传导促进发育[11].在拟南芥胚胎发生的海藻糖的代谢对胚胎发育成熟起了必不可少的作用[12].添加外源糖能减少ABA(abscisic acid,ABA)或甘露糖对拟南芥种子萌芽的抑制作用,但葡萄糖也会抑制种子的萌发.葡萄糖延迟种子萌发的过程依赖于ABA,但并不是由细胞的ABA浓度增加引起的,而与种子在成熟的最后阶段中内源ABA积累减少密切相关,当葡萄糖与ABA各自浓度改变时它们的相互作用也发生改变[13],表明在种子萌发过程中存在专一的信号途径,而且不同发育阶段对糖信号的应答存在差异.2.2　早期幼苗中的糖与激素信号在拟南芥早期幼苗发育阶段糖与激素ABA信号之间的相互促进作用是很明显的[12].ABA介导一个萌发后的发育阶段的起始,使得已萌发的胚胎能应对新的生长条件[14].在拟南芥早期幼苗发育过程中,高水平的外源糖抑制了下胚轴的延伸、子叶的变绿与扩展以及枝条的发育;通过对拟南芥对糖不敏感(ABA insensitive,abi)或对糖超敏感的突变体的研究发现,糖信号与植物激素信号通路之间存在广泛的联系,ABA在植物体内糖信号传导中起重要的作用[14].外源葡萄糖能加强ABA合成相关基因与信号传导基因的表达和内源ABA的水平,证实在幼苗早期发育过程中ABA是葡萄糖信号传导中必需的,在早期幼苗发育中并非所有ABA非敏感型突变体都是葡萄糖敏感型,表明在葡萄糖与ABA 信号中可能存在多种信号通路[15].在幼苗发育中,与糖信号传导相联系的另一种植物激素是乙烯.用乙烯合成前体ACC处理拟南芥野生苗可获得gi n表型,即高浓度的葡萄糖对子叶和新梢发育的抑制作用可通过外加乙烯合成前体911210期雷美玉,等:糖在植物中的感知与信号传导研究进展ACC(12aminocyclopropane212carboxylic acid,ACC)得到逆转,说明葡萄糖与乙烯的拮抗作用抑制了种苗早期发育[14].乙烯组成型“三重反应"突变体ct r1 (constit utive t riple response1,ct r1)和乙烯过量产生突变体eto1(et hylene overproducing1,eto1)的子叶和新梢形成对高浓度葡萄糖的抑制不敏感,而抗乙烯突变体ter1则表现出对葡萄糖的高度敏感[19],说明乙烯浓度的增加可降低种苗对葡萄糖的敏感性.然而,葡萄糖不敏感突变体gi n与eto1和ct r1不同,在黑暗中不表现乙烯的“三重反应",说明gi n 表型不与乙烯三重反应偶联[17].研究发现许多乙烯不敏感突变体包括et ro1、ei n2(et hylene insensi2 tive2,ei n2)、ei n3和ei n6对葡萄糖高度敏感,且双突变实验表明,葡萄糖不敏感蛋白GIN1在乙烯受体ETR1和HXK下游起作用[17],证明葡萄糖与乙烯能拮抗性地调节蛋白质EIN3TF的稳定性,这为葡萄糖与乙烯信号之间在分子水平的联系提供了证据.2.3　糖信号与植物的营养生长和生殖生长局部库的建立、碳代谢以及糖的积累在植物的生长与发育中起重要作用,这很可能是通过糖信号传导产生的.一些证据指出:蔗糖裂解酶在植物生长与发育中具有特别重要的作用,如番茄(L ycopersi2 con esculent um)顶端分生组织中编码糖代谢蛋白(SU S、A GPase和Snf1相关蛋白激酶SnR K)的基因可以作为叶早期发育中的分子标记[2],拟南芥子叶和叶尖的表皮侧面扩展也是糖依赖性调节的[18],这为营养器官发生中的糖代谢和糖信号传导的研究奠定了基础.在烟草(N icoti ana t abacum)中反义抑制的RUB ISCO的小亚基RBCS(Rubisco small subunit,RBCS)使烟草的光合速率降低,同时延迟早期枝条形态发生并增加侧枝/根的比例,表明植物在侧枝形态发生生长中存在源强度阈值[19].然而,细胞生长中的代谢调控同样对生长环境的变化有很强烈的反应,玉米(Zea m ays)节间的细胞对重力的反应就是一个典型的例子,生长素不均匀地重分配提高了转化酶的表达及其活性,导致了己糖不均匀地积累及细胞伸长的差异[20].在暗生长的拟南芥幼苗中,外源蔗糖能影响不定根的形成,而拟南芥糖突变体gin1、gi n2等显示出营养和生殖生长方面的缺陷,如延迟开花,花和果实发育不正常等[9].另外,碳的分配及糖信号传导同样也控制生殖发育.高浓度的外源糖会延迟拟南芥野生型及后开花突变体两者的转换,L EA F Y活性的延缓表明糖信号控制了花分生组织中特异基因的表达[21].糖基水解酶SU S和天冬酰胺合成酶是L EA F Y转录因子(t ranscription factors,TF)的直接的靶蛋白,它们是花发育中必不可少的成分,在分生组织特异启动子控制下CW2I N V的表达能提早开花、促进花序分枝以及提高种子的产量,而C2I N V则相反,使花枝分枝减少、开花延迟、降低种子产量[22],表明糖信号精确的源、库特性及其分配的重要性.此外反义抑制CW2I N V的烟草和反义S nR K转基因大麦(Hordeum v ul g are)的雄性不育,均表明精确的碳分配在生殖发育中起重要作用[23].2.4　糖信号在植物衰老过程中的作用植物体生命的最后阶段是衰老,通过复杂的发育程序和环境信号进行调控.典型的叶衰老与叶绿素含量及光合作用活性的降低是一致的.糖在光合作用相关基因表达中的阻抑效应和己糖激酶(HXK)与叶衰老之间的关系表明,在叶衰老过程中HXK依赖性的糖信号起重要作用[24].但对叶进行暗处理研究时,在暗处理中叶绿体降解与叶绿体饥饿能导致衰老,而整个植株的暗培育却能延缓衰老,一些与衰老相关的基因能被暗培育诱导表达也能被糖抑制[25],进一步通过芯片分析发现,饥饿诱导衰老和自然衰老之间基因的表达存在明显不同[26].此外,叶的衰老能通过强光和长日照进行诱导,并与己糖的积累有关[27],当然在衰老中饥饿反应与糖积累之间的矛盾冲突还需要进一步的研究去揭示.对蓖麻(Rici nus com m unis)叶子在自然衰老的研究发现,在叶绿素降解之前筛管中糖类合成受阻[28],而通过胁迫诱导胼胝质沉积产生的韧皮部阻断是衰老的原因[29].然而衰老与大量营养(尤其是N)的重新利用和从败叶中输出相关[21],表明基本的细胞代谢与韧皮部运输功能可以保持到衰老的后阶段.高的糖氮比可能是启动衰老和N的重新利用的开关,但通过对拟南芥重组自交系分析表明,后期衰老系比前期衰老系更易被有效地动员Glu、Asp和硫酸盐[28],在衰老过程中精确的糖源积累机制还不清楚,有待进一步地研究.ABA能促进衰老,但研究表明在叶衰老的糖依赖性诱导中并不需要ABA[28];细胞分裂素能延迟植物衰老,由细胞分裂素诱导的CW2I N V的表达是叶衰老中由细胞分裂素介导的局部延迟衰老中必不可少的[4].通过对gi n2突变体的研究发现糖和细胞分裂素之间存在拮抗作用[24].衰老也与病理发生相0212西　北　植　物　学　报 27卷关的(pat hogenesis2related,PR)基因表达有关,外源糖与植物液泡或细胞壁中I N V的过量表达都能够诱导PR基因的表达[26].除调节碳分配、植物发育和激素应答外,INVs还能在应激反应中作为中心信号起着整合和调节作用[30].CW2I N V通过非生物胁迫和由病原体感染导致的局部呼吸库活性增强两种途径得到诱导.蛋白激酶(p rotein kinase,P K)抑制剂的研究表明糖类与胁迫压力通过不同的途径对源、库代谢作用和抵抗反应进行调节[31].拟南芥过早衰老突变体hys1不仅在幼苗发育和基因表达过程中对糖抑制过敏,而且与病理发生相关基因cp r5(constit utive expressor of pat hogenesis2related genes5,cp r5)是等位基因[32],拟南芥过早衰老突变体为研究糖与衰老之间的关系提供了线索,表明在植物衰老过程中激素信号和糖信号之间是相互作用,共同调节衰老的进程.3　糖传感器3.1　己糖激酶的作用及葡萄糖传感器己糖激酶(HXK)是糖酵解中的一个关键酶,其功能是催化己糖磷酸化.有证据表明:HXK可作为葡萄糖感受器使细胞间糖信号被感知,从而触发糖信号传递[33];植物HXK的功能是作为一个葡萄糖传感器,在葡萄糖信号通路中HXK的基本功能是对GIN1/ABA2的上调[34].对拟南芥gi n2突变体的分离和性状分析发现,己糖激酶(At HXK1)是糖识别和糖信号传导的核心部分[16].一般来说,植物体内有两种类型的HXKs,类型A激酶(如Pp HXK1和拟南芥HXL s),它们具有叶绿体转换肽(chloroplast t ransit peptide)[34];类型B激酶(如At HXK1和At HXK2),它们有膜锚定作用[34]. Moore和Sheen[34]研究表明,At HXK1同样能够运输到细胞核内.在水稻中有10种功能的HXK同源物已经被鉴定[16].除HXKs以外,植物体同样包括一些果糖激酶,这些果糖激酶在糖识别中起作用[16],而gi n2突变体对葡萄糖不敏感,但对果糖和蔗糖敏感[35].3.2　糖信号感知与细胞表面受体在酵母中,胞外的葡萄糖和蔗糖的感知是通过G pr12G pa2完成,G p r12G pa2是GPCR系统中的一个,另一个GPCR成员则与外激素的感知有关;在动物中不同GPCR复合体作为糖识别受体执行功能[36],而植物体内则仅仅由一个G2蛋白的α2亚基执行功能.α2亚基在水稻中通过R GA1编码[36],而在拟南芥中通过GPA1编码由α2亚基与β、γ亚基结合成功能性的G蛋白,在各种不同条件下起重要作用,如发育、光强度、磷脂及激素反应、氧化胁迫反应和真菌疾病抵抗[37].GPA1与两个受体蛋白相关联,其中一个是G蛋白偶联受体1(G2protein cou2 pled receptor1,GCR1),它是一个与GPCRs具有同源性的7次跨膜蛋白;另一个是G蛋白信号调节剂1(regulator of G2protein signaling1,R GS1),它是一个C端含有R GS盒的7次跨膜蛋白[37].R GS蛋白通过加速它们内在的GTPase活性对heterotrim2 eric G蛋白进行负面调控,与此功能一致的是, R GS1的缺乏导致GPA1的活性增加,使在黑暗中下胚轴细胞延伸加速和光照下根部生长区细胞的生长加快[38].r gs1突变体幼苗对6%葡萄糖不敏感,而R GS1过量表达则对6%葡萄糖超敏感[38].g p a1突变体对ABA和萌发中的糖抑制超敏感,但葡萄糖的增加同样也可以促使At R GS1与基质膜中的At GPA1的表达加强[39],这很可能是作为一种脱敏机制,而R GS1和GPA1下游的靶位点及过程有待于进一步的研究和鉴定.4　糖调节的分子机制4.1　糖信号通路基于HXK1的作用,在植物体中有3个不同的糖信号转导通路已被定义.在第一个HXK1依赖性通路中,基因表达与HXK1介导的信号功能相关,该通路的主要作用是对光合作用相关基因表达的抑制作用;第二个通路依赖于糖酵解过程,同时又要通过HXK2的活性得到维持;第三个是不依赖于HXK1的信号通路[26].多种途径的存在表明植物体内糖信号传导过程相当复杂(图1).在植物中, HXK通常能磷酸化的底物有葡萄糖、果糖、甘露糖等.首先经载体运输这些糖进入细胞,HXK感受糖后,通过与其它蛋白作用形成复合物或者通过糖酵解途径引发信号放大,通过级联放大,最终调节基因的转录表达;另外HXK也可能直接迁入核内直接影响转录,但具体机理还有待进一步的研究[26].4.2　糖调节基因启动子元件和转录因子一些编码代谢蛋白的基因在糖信号传导产生中要经历在转录上的反馈调节,例如光合作用相关基因、I N V和S US基因也受到可获得性糖的广泛调节[6].同样,当糖水平上升,经淀粉合成作用进行糖贮藏的过程通过编码A D P ase基因的诱导得到上调[5].糖和其它营养代谢通路的协调对最佳利用能121210期雷美玉,等:糖在植物中的感知与信号传导研究进展图1　HXK参与的糖信号途径[26]Fig.1　The sugar signaling pathway based on HXK量资源是必不可少的.参与N消化过程中的许多基因都通过糖共同调节,并且可利用的N能广泛地调节碳代谢基因表达[40].一般地,糖应答依赖于植物中N的水平,光合作用相关基因表达的糖抑制、叶绿素积累和幼苗发育都能够被硝酸盐拮抗[24].因此植物中许多基因的表达是通过糖与源、库活性的协同调节作用在转录上得到调节.通过对甘薯(I pomoea bat at as)块茎patatin、SU S、sporamin以及β2淀粉酶等基因启动子的研究,鉴定出了一些蔗糖应答的顺式元件,其中包括蔗糖应答元件(sucro se2responsive element,SU RE)、A盒与B盒、T GGAC GG元件,SP8序列和SP8结合蛋白SPF1[42].SPF1是一个WR KY(一种转录因子)型蔗糖阻遏的负调节子,与其它物种(包括拟南芥)有很高的同源性.一个糖诱导的WR KY型TF———S US IB A2在大麦胚乳中受到抑制,当它与SU RE和W2盒结合后活化大麦异淀粉酶1 (isoamylase1,iso1)基因启动子[43].此外在土豆块茎中一个新的DNA结合蛋白STORE KEEPER (ST K)能特异识别B2盒序列从而控制蔗糖诱导的patatin表达[43].通过对糖/ABA诱导的甘薯spo2 ramin A基因启动子进行分析,发现了一个最小的启动子(Spo min),它包含负调控区域和2个糖代谢信号应答元件(carbohydrate metabolite signal re2sponsive element s,CMSRE),即CMSRE21(T G2 GAC GG)和CMSRE22,此外还含有SP8a序列[44].随着对不同糖应答基因研究的深入,会有更多的糖应答元件被发现.糖在转录水平上也调节激素信号.很显然,葡萄糖诱导ABA和A B I(ABA insentive,A B I)基因表达在它的信号转导中作为一个核心机制.对糖信号传导中AB I4、ABI5和CTR1(constit utive t riple re2 sponse1,CTR1)3个因子进行分析,发现葡萄糖、ABA、胁迫分别调节不同发育阶段[51];对一些乙二胺生物合成中的葡萄糖抑制和信号转导基因的研究表明,糖与乙二胺信号之间的相互作用在部分转录水平中起作用[41];对玉米的一些光合作用相关基因启动子的研究发现,糖抑制中的不同调节元件以及顺式元件的负调控[46].通过对糖抑制和转录中的饥饿诱导研究,发现编码水稻(Ory z a sati v a)α2淀粉酶(α2amylases,αAM Y)在种子淀粉降解中起作用,而且αA M Y在高糖饥饿诱导中表达[47];对aA M Y3启动子的研究发现糖应答序列(sugar response se2 quence,SRS)应具备GC2盒、G2盒和TA TCCA3个元件.具有DNA结合区域的新M Y B蛋白(Os2 M Y BS123)能与特异TA TCCA元件结合从而调节αA M Y的表达[47].研究表明G2盒基序(CAC GT G)在光敏色素介导的基因表达光控制中起作用,并且2212西　北　植　物　学　报 27卷G2盒基序与ABRE(CCACGT GG)非常相似,在糖信号传导中也涉及到ABRE结合因子AB F2 (ABRE2binding factor2,ABF2)、AB F3和ABF4[48].通过对糖信号转导基因的相关转录因子的研究,可进一步揭示糖信号转导的机理.4.3　糖信号在转录后的调节作用一些重要的糖调节作用在转录后水平上进行调控.研究表明水稻αAM Y3的糖抑制作用对转录和mRNA稳定性方面进行调控,转录产物3′非编码区(unt ranslated region,U TR)中的特定序列控制糖依赖性的mRNA稳定[50];用转录阻断剂放线菌素D 研究mRNA的半衰期,证明一些其它的生长相关基因和胁迫相关基因在mRNA稳定性上被糖控制[51];在玉米细胞悬浮培养中,由可代谢的和不可代谢的糖能诱导I ncw1表达[52],但由于蔗糖或葡萄糖诱导增加了大量小转录物的稳定性,从而导致蛋白质表达和酶的活性增加[49],虽然其精确的调控机制还不太清楚,但I ncw1基因的3′U TR被认为是糖饥饿中的一个传感器,在库新陈代谢与细胞mR2 NA加工和翻译之间起桥梁作用[52].另一个被胁迫和营养饥饿条件控制的表达调节作用是mRNA的翻译,这一过程需要5′U TR中的微开放性阅读框(micro2open reading f rames,μORFs)的参与,这些μORFs正向或负向影响下游编码序列(CDS)/ORF的转录效率,例如,拟南芥S2 class bZIP TF(A TB2/bZIP11)的转录受光和糖的促进,但随后的翻译却受高水平蔗糖的抑制[53].特定的蔗糖诱导的翻译抑制作用依赖于A TB2/bZ2 IP11转录物的5′U TR[53],已经鉴定的5′U TR中的4个μORFs,其中μORF2是A TB2/bZIP11转录调节中必要的也是充分的,A TB2/bZIP11通过糖调节的表达与它在受精的胚珠维管组织、幼苗和小维管组织中的特定表达模式一致,A TB2/bZIP11在源分配到库建立中的调节作用已经得到支持,这表明μORFs的利用是植物bZIP TFs亚定位的一般调节特征[54].但关于μORFs对转录调节的分子水平机制与它的生理作用并不太清楚,有待进一步的研究.4.4　糖信号对翻译后的调节作用蛋白质活性通过多种途径得到调节.生物信息学分析表明,拟南芥大于5%的蛋白质都是通过泛激素依赖性和26S蛋白酶依赖性的蛋白降解途径得到降解,蛋白质稳定性和选择性的蛋白水解在植物信号与发育、转录控制和蛋白质磷酸化中是主要的调节机制,当然,糖信号通路也利用这些机制[55].葡萄糖通过加强EIN3的蛋白酶依赖性的降解来拮抗乙烯信号,而且乙烯能够增强EIN3的稳定性[19].葡萄糖应答依赖于At HXK1,At HXK1也存在于细胞核中,它与植物生长素和细胞分裂素信号之间的相互作用具有相似的机制[53].2种特定的EIN3结合F盒蛋白EBF1和EBF2,形成SCF复合物抑制乙烯作用并通过引导EIN3降解而加速生长[53].EB F1和EB F2与酵母F2box蛋白葡萄糖抑制抵抗基因1 (Gluco se repression resistant1,Grr1)有很大的关联,而Grr1在控制和与糖识别、细胞周期相偶联中起作用[55].许多植物细胞周期蛋白依赖性激酶(cy2 clin2dependent kinase,CD K)调节剂的半衰期是通过蛋白酶调节的[55],D型细胞周期蛋白CYCD3;1 (D2type cyclin3;1,CYCD3;1)可以在转录水平上通过蔗糖或葡萄糖和细胞分裂素得到上调,从而使细胞从G1期向S期转换,CYCD3;1是一个高度不稳定蛋白质,在蔗糖消耗后通过蛋白酶依赖性的机制得到降解[56],而且在糖饥饿状态下,CYCD3;1被磷酸化,在蛋白酶抑制剂存在时它以一种超磷酸化形式得到积累,表明磷酸化使CYCD3;1走向分解[56].另外,在糖饥饿的玉米根中发现由氧化作用介导的20S蛋白酶的特性及其表达发生改变[57],表明糖信号通路可以通过蛋白质活性调节途径来实现.4.5　Snf1相关的蛋白激酶(SnR Ks)蛋白质的磷酸化和去磷酸化是调节蛋白质功能与活性的主要调控机制,在植物糖信号传导中的特定抑制剂也包含了各种不同的蛋白激酶P Ks和蛋白磷酸酶PPs.高等植物中存在一特殊的大家族即钙依赖性的P Ks(CDP Ks)和SnR Ks,一些CDP Ks 被蔗糖特异诱导,而钙离子在糖信号中作为一个第二信使起作用[58].SnR K家族由3个具有相似序列和结构域的亚类组成,SnR K1蛋白质与酵母中的Snf1和哺乳动物中的AM P依赖性蛋白激酶(AM P K)非常相似[59],在拟南芥中SnR K家族有3个成员,但仅有2个(A KIN10和A KIN11)表达,SnR K2和SnR K3很可能是植物体中独有的[59],来自不同植物的SnR K1同源物能互补酵母snf1突变体的表型,表明它们在功能上具有进化保守性,但从SnR K1的调节与功能来看,植物SnR Ks、酵母Snf1和哺乳动物AM P Ks各自的活化机制是不同的[58].除磷酸化/去磷酸化和蛋白质稳定性/降解以外,在糖调节植物代谢中氧化还原是另一个重要的调节机制,这种机制不但在光合作用酶的光活化中321210期雷美玉,等:糖在植物中的感知与信号传导研究进展。

甘蔗叶片中蔗糖代谢酶活性及糖含量动态变化特征分析

㊀第45卷第2期2023年4月中国糖料Sugar Crops of China Vol.45,No.2Apr. 2023doi :10.13570/ki.scc.2023.02.007http :// 收稿日期:2022-06-17基金项目:2019年海南省基础与应用基础研究计划(自然科学领域)高层次人才项目(2019RC 301);国家重点研发计划项目(2018YFD 1000503);财政部和农业农村部国家现代农业产业技术体系(甜菜)建设项目(CARS -170301)资助㊂第一作者:赵婷婷(1983-),女,山西长治人,助理研究员,博士,研究方向为甘蔗基因工程,E -mail :zhaotingting @ ㊂通信作者:张树珍(1965-),女,云南楚雄人,研究员,博士,研究方向为甘蔗生物技术,E -mail :zhangsz 2007@ ㊂甘蔗叶片中蔗糖代谢酶活性及糖含量动态变化特征分析赵婷婷,杨本鹏,王俊刚,甘仪梅,张树珍(中国热带农业科学院热带生物技术研究所农业部热带作物生物学与遗传资源利用重点实验室/海南热带农业资源研究院海南省热带农业生物资源保护与利用重点实验室/中国热带农业科学院甘蔗研究中心,海口571101)摘㊀要:为研究甘蔗叶片中蔗糖代谢酶活性及糖含量变化,解析甘蔗源-库糖分积累调控机制,分别对分蘖期㊁拔节期㊁成熟期新台糖22号甘蔗成熟叶片中蔗糖磷酸合成酶㊁蔗糖合成酶㊁酸性转化酶㊁中性转化酶的活性及叶片中蔗糖和还原糖含量采用比色法进行测定㊂结果表明随着茎秆生长及糖分积累,甘蔗叶片中蔗糖磷酸合成酶活性从10.3μmol /(gFW ㊃h )逐渐升高至14.6μmol /(gFW ㊃h ),成熟期甘蔗叶片中蔗糖磷酸合成酶活性显著降低至5.3μmol /(gFW ㊃h );甘蔗叶片中蔗糖合成酶在茎秆中糖分积累时蔗糖合成活性由14.0μmol /(gFW ㊃h )降低至9.1μmol /(gFW ㊃h );分蘖期甘蔗叶片中蔗糖转化酶活性介于26.0~30.2μmol /(gFW ㊃h ),而成熟期甘蔗叶片中蔗糖转化酶活性显著降低至13.9~16.4μmol /(gFW ㊃h )㊂甘蔗叶片中蔗糖含量在茎秆中糖分积累时达到最高20.57mg /gFW ;分蘖期甘蔗叶片中还原糖含量2.1mg /gFW ,而拔节期㊁成熟期甘蔗叶片中还原糖含量分别升高至5.45mg /gFW 和7.15mg /gFW ㊂甘蔗叶片中蔗糖磷酸合成酶活性与蔗糖含量呈正相关,表明甘蔗叶片中蔗糖磷酸合成酶直接调控蔗糖合成㊂研究结果表明叶片中蔗糖磷酸合成酶及蔗糖含量积极响应茎秆中糖分积累信号,蔗糖磷酸合成酶是甘蔗源-库糖分积累调控的关键作用靶点,进一步解析甘蔗叶片中蔗糖磷酸合成酶调控网络可为甘蔗糖分性状改良提供理论依据㊂关键词:甘蔗;蔗糖代谢;蔗糖代谢酶;糖含量中图分类号:S 566.1㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A 文章编号:1007-2624(2023)02-0047-07赵婷婷,杨本鹏,王俊刚,等.甘蔗叶片中蔗糖代谢酶活性及糖含量动态变化特征分析[J ].中国糖料,2023,45(2):47-53.ZHAO Tingting ,YANG Benpeng ,WANG Jungang ,et al.The change characteristic analysis of enzymes for sucrose metabolism activity and sugar contents in sugarcane leaves [J ].Sugar Crop of China ,2023,45(2):47-53.0㊀引言甘蔗(Saccharum spp .)是一种高光效C 4植物,是世界上重要的糖料和能源作物,甘蔗产糖约占我国食糖总量的80%以上㊂甘蔗茎秆中糖含量直接决定甘蔗品种的经济价值㊂蔗糖是甘蔗光合同化物合成㊁运输㊁积累的主要形式[1]㊂甘蔗茎秆中积累的糖分来自于源端叶中光合作用合成的蔗糖,叶片中蔗糖含量决定韧皮部蔗糖装载的量,进一步影响库端茎秆中蔗糖的利用及积累㊂蔗糖代谢酶催化叶片中蔗糖的合成与分解,直接调控叶片中蔗糖含量和进入韧皮部装载的蔗糖量㊂对不同生长时期甘蔗叶片中催化蔗糖合成与分解的酶活性及糖84中国糖料2023含量动态变化特征进行分析,可以揭示甘蔗叶片中糖分合成对茎秆中糖分积累的响应及调控模式㊂甘蔗叶片中蔗糖含量受蔗糖合成相关酶和分解相关酶的动态调控㊂蔗糖磷酸合成酶(Sucrose phosphate synthase,SPS;EC2.4.1.14)和磷酸蔗糖磷酸酶(Sucrose phosphate phosphatase,SPP;EC3.1.3.24)催化蔗糖合成,SPS是蔗糖合成调控的关键酶[2]㊂蔗糖合成酶(Sucrose synthase,SS;EC2.4.1.13)既可以将蔗糖催化水解成UDP-葡萄糖(ADP-葡萄糖)和果糖,又可以将UDP-葡萄糖和果糖催化合成蔗糖[3]㊂蔗糖可以被转化酶(Invertase,INV;EC3.2.1.26)不可逆分解为葡萄糖和果糖,供给植物细胞的生长发育营养需求及细胞内己糖的积累㊂根据最适反应pH值,可以将INV分为酸性转化酶(Soluble acidic invertase,SAI)和中性转化酶(Neutral Invertase,NI),酸性转化酶包括细胞壁转化酶和液泡转化酶,中性转化酶存在于细胞质中㊂甘蔗叶片和茎秆中均存在SPS㊁SS㊁SAI㊁NI活性,蔗糖代谢酶活性共同决定植物中蔗糖含量和生物量的积累[3-6]㊂源叶中SPS直接调控蔗糖合成速率㊁蔗糖含量及蔗糖输出量,SS参与调控叶片生长发育,调节叶片中蔗糖和果糖含量,参与淀粉及纤维素等多糖的合成[7-9]㊂INV调节叶片中糖稳态㊁碳水化合物分配㊁响应细胞内外糖信号㊁激素信号,调控叶片的生长发育㊁衰老及对逆境的响应等生物学过程[10]㊂叶片中SPS㊁SS㊁SAI㊁NI分工协作,共同调控叶片中蔗糖和己糖含量,以不同方式响应细胞内糖信号,动态调节叶片中蔗糖合成输出及碳水化合物分配以维持细胞正常生长需要[3]㊂甘蔗生长早期,叶片中光合作用合成的蔗糖主要用于植株生长发育,后期主要用于糖分的积累㊂甘蔗中蔗糖合成㊁运输㊁积累形成一种源-库反馈平衡调节机制㊂源端叶片中蔗糖合成调节蔗糖供给,库端茎秆中蔗糖积累反馈调节源端蔗糖合成速率[11]㊂研究表明甘蔗中源-库平衡机制决定甘蔗茎秆中糖含量[11-12]㊂然而甘蔗中源-库反馈调节糖分分配,并最终决定茎秆中糖分积累水平的关键作用因子及分子调控机制还不清楚㊂蔗糖代谢酶控制甘蔗叶片中蔗糖含量并影响甘蔗茎秆中糖分积累,为了探讨甘蔗叶片中蔗糖代谢酶对源-库糖分合成与积累的响应机制,对甘蔗不同生长时期叶片中的四种蔗糖代谢酶活性和糖含量动态变化进行分析,以期解析甘蔗叶片中蔗糖代谢酶活性动态变化特征㊁酶活性差异㊁糖含量及对茎秆中糖分积累的响应方式,为进一步系统解析甘蔗中源-库糖分合成与积累反馈机制奠定基础㊂1㊀材料与方法1.1㊀材料供试甘蔗品种新台糖22 ,种植于中国热带农业科学院热带生物技术研究所临高试验基地㊂采用随机区组排列,设3个重复,株距0.35m,行距1.3m,每行10m,肥力中等㊂1.2㊀试验设计在甘蔗植株生长的分蘖期㊁拔节前期㊁拔节后期㊁成熟期,在光照充足条件下,取样时间上午9 11点,随机选取供试品种9株生长健壮甘蔗植株+1叶,剪取叶中部位置,去叶脉,将9片叶混合剪碎,各称取1g装入2mL离心管中,放入液氮中冻存备用㊂1.3㊀测定方法分别测定分蘖期㊁拔节前期㊁拔节后期㊁成熟期植株+1叶中的蔗糖㊁还原糖含量及蔗糖合成酶活性㊂将1g剪碎的叶片置于研钵中充分研磨成粉末,糖分提取按照Zhu等[13]的方法,蔗糖含量测定参考van Handel[14]的方法,还原糖含量测定参考王俊刚等[15]的方法㊂酶液提取方法及酶促反应体系参考Zhu等[13]的方法,蔗糖磷酸合成酶㊁蔗糖合成酶活性以37ħ最适pH条件下,反应1h合成的蔗糖量来表示,单位为μmol蔗糖/(gFW㊃h)㊂酸性转化酶㊁中性转化酶以37ħ最适pH条件下,反应1h生成的葡萄糖的量来表示,单位为μmol葡萄糖/(gFW㊃h)㊂1.4㊀数据分析利用Excel和SPSS软件对数据进行统计分析及作图㊂㊀第45卷,第2期赵婷婷,等:甘蔗叶片中蔗糖代谢酶活性及糖含量动态变化特征分析2㊀结果与分析2.1㊀不同生长时期甘蔗叶片中四种蔗糖代谢酶活性变化分析为解析甘蔗不同生长时期叶片中的蔗糖代谢酶活性变化(图1SPS ),分别测定分蘖期㊁拔节前期㊁拔节后期㊁成熟期甘蔗植株+1叶中的四种蔗糖代谢酶活性,结果表明从分蘖期到拔节期甘蔗叶片中SPS 酶活性逐渐升高,到拔节后期甘蔗叶片中SPS 酶活性显著升高(p <0.01),合成蔗糖活性达到最高值14.6μmol /(gFW ㊃h ),而在成熟期甘蔗叶片中SPS 酶活性显著降低(p <0.01),合成蔗糖活性降至5.3μmol /(gFW ㊃h ),表明随着甘蔗茎秆库中糖分快速积累,源叶中SPS 酶响应库中糖分积累需求促进源叶中蔗糖合成,在甘蔗茎秆库中糖分积累完成后,源叶中SPS 酶活性降低㊂从分蘖期到成熟期源叶中SS 酶活性变化趋势与SPS 活性变化趋势相反(图1SS ),从分蘖期到拔节后期SS 酶活性逐渐降低,在拔节后期SS 酶活性显著降低(p <0.01),合成蔗糖活性达到最低值9.1μmol /(gFW ㊃h ),成熟期时SS 酶活性较前一时期显著升高,合成蔗糖活性达到12.8μmol /(gFW ㊃h ),表明甘蔗叶片中SS 酶在甘蔗分蘖期和成熟期叶片蔗糖代谢过程中发挥重要作用,在甘蔗茎秆中糖分快速积累时期,叶片中低SS 酶活性可能有利于蔗糖的快速供给㊂对不同生长时期甘蔗叶片中的SAI 酶活性差异进行分析(图1SAI ),结果表明SAI 酶活性在分蘖期㊁拔节前期㊁拔节后期甘蔗叶片中的活性保持稳定没有变化,生成葡萄糖活性介于24.3~26.0μmol /(gFW ㊃h ),而在成熟期甘蔗叶片中SAI 酶活性显著降低,生成葡萄糖活性降低至16.4μmol /(gFW ㊃h ),表明在甘蔗快速生长及茎秆中糖分快速积累时期,叶片中SAI 酶活性都较高,参与调控叶片中蔗糖及己糖代谢,而在成熟期甘蔗叶片中低SAI 酶活性降低甘蔗叶片中蔗糖分解及己糖代谢㊂图1㊀不同生长时期甘蔗叶片中四种蔗糖代谢酶活性变化分析Fig.1㊀The activity change analysis of four sucrose metablismenzymes in leaves of sugarcane plants at different growth periods94中国糖料http :// 2023对不同生长时期甘蔗叶片中的NI 酶活性差异进行分析(图1NI ),结果表明在分蘖期甘蔗叶片中的NI 蔗糖转化酶活性最高,生成葡萄糖活性达到30.2μmol /(gFW ㊃h ),在拔节前期㊁拔节后期㊁成熟期甘蔗叶片中的NI 酶活性显著降低,生成葡萄糖活性分别为17.2μmol /(gFW ㊃h )㊁20.3μmol /(gFW ㊃h )㊁13.9μmol /(gFW ㊃h ),表明叶片中NI 蔗糖转化酶在分蘖期甘蔗生长过程中发挥重要作用,在拔节期和成熟期叶片中NI 酶活性降低可能有利于促进甘蔗茎秆中糖分积累㊂2.2㊀不同生长时期甘蔗植株叶片中蔗糖代谢酶活性差异分析对不同生长时期甘蔗叶片中的SPS ㊁SS ㊁SAI ㊁NI 酶活性差异进行分析,结果表明在分蘖期㊁拔节期甘蔗叶片中的SAI ㊁NI 转化酶活性显著高于SPS ㊁SS 酶活性(图2),在成熟期甘蔗叶片中SS ㊁SAI ㊁NI 酶活性显著高于SPS 酶活性(图2),分蘖期NI 活性高于SAI ,拔节期和成熟期SAI 活性高于NI ,表明不同生长甘蔗叶片中SPS ㊁SS ㊁SAI ㊁NI 共同调控蔗糖代谢,且蔗糖转化酶SAI ㊁NI 在不同生长时期甘蔗叶片生长发育过程中起重要作用㊂图2㊀甘蔗叶片中四种蔗糖代谢酶活性差异分析Fig.2㊀The activity differences analysis of four sucrose metabolism enzymes in sugarcane leaves2.3㊀不同生长时期甘蔗叶片中糖含量分析分别对分蘖期㊁拔节前期㊁拔节后期㊁成熟期甘蔗叶片中的蔗糖和还原糖含量进行测定,结果表明在甘蔗叶片中,与分蘖期相比,在拔节前期甘蔗茎秆中糖分开始积累时,叶片中蔗糖含量显著降低,表明可能由于茎秆库糖分需求增加而导致叶片中蔗糖快速输出,致使叶片中蔗糖含量降低;而在拔节后期甘蔗叶片中蔗糖含量显著升高,达到最高值,有利于促进茎秆中糖分积累;在成熟期甘蔗茎秆中糖分积累完成后,叶片中蔗糖含量显著降低(见表1)㊂从分蘖期到成熟期甘蔗叶片中还原糖含量变化趋势与蔗糖含量相反,拔节期蔗糖含量下降时还原糖含量上升,蔗糖含量升高时还原糖含量降低,成熟期甘蔗叶片中蔗糖含量下降时还原糖含量上升(见表1)㊂甘蔗叶片中蔗糖与还原糖含量变化趋势正好相反,表明当叶片中蔗糖含量降低时,部分蔗糖被转化为还原糖,用于叶片细胞自身生长发育需要㊂05㊀第45卷,第2期赵婷婷,等:甘蔗叶片中蔗糖代谢酶活性及糖含量动态变化特征分析表1㊀不同生长时期甘蔗叶片中蔗糖和还原糖含量(mg/gFW)Table1㊀The sucrose and reducing sugar contents in leaves of sugarcane plants at different growth stages糖含量Sugar content分蘖期Tillering stage拔节前期Early elongation stage拔节后期Late elongation stage成熟期Maturation stage蔗糖含量Sucrose content17.64ʃ0.08Aa 6.53ʃ0.11Bb20.57ʃ0.28Cc17.86ʃ0.18aADd还原糖含量Reducingsugar content2.1ʃ0.1Aa9.86ʃ0.05Bb 5.45ʃ0.14Cc7.15ʃ0.1Dd2.4㊀甘蔗叶片中糖含量与蔗糖代谢酶活性相关性分析SPS蔗糖磷酸合成酶是甘蔗叶片中蔗糖合成的关键调控酶,对SPS酶活性与叶片中蔗糖含量相关性进行分析,结果表明在分蘖期㊁拔节后期㊁成熟期甘蔗叶片中,SPS酶活性与蔗糖含量呈正相关(r=0.804),进一步分析分蘖期㊁拔节后期㊁成熟期甘蔗叶片中SS㊁SAI㊁NI酶活性与蔗糖含量相关性,结果表明SS酶蔗糖合成活性与蔗糖含量呈负相关(r=-0.986),SAI㊁NI酶活性与蔗糖含量相关性低㊂对分蘖期㊁拔节后期㊁成熟期甘蔗叶片中SPS㊁SS㊁SAI㊁NI酶活性与还原糖含量相关性进行分析表明, SAI和NI酶活性与叶片中还原糖含量呈负相关(r=-0.857,r=-0.998),SPS和SS酶活性与叶片中还原糖含量相关性低㊂3㊀讨论甘蔗作为一种国内外重要的糖料作物,其糖分性状改良一直是甘蔗研究目标与热点㊂经过C14同位素标记分析表明甘蔗叶片中合成的蔗糖直接装载进入韧皮部进行长距离运输至茎秆储藏薄壁细胞中积累,绝大部分没有经过蔗糖水解及重新合成的过程[1]㊂因此甘蔗茎秆中积累的蔗糖量直接受叶片中光合作用蔗糖合成速率及韧皮部中蔗糖输出量的调控㊂已有研究表明甘蔗叶片中蔗糖代谢酶活性高低与甘蔗品种糖含量差异相关[13-14,16-18],本研究主要解析甘蔗叶片中蔗糖代谢酶活性和糖含量动态变化特征及叶片中蔗糖代谢酶活性变化是否响应茎秆中糖分积累进行探讨㊂SPS是植物调控蔗糖合成的关键酶,影响植物中糖分积累及最终产量㊂对6个不同糖含量印度甘蔗品种叶在240 420天的SPS酶活动态分析发现,从240天至360天SPS活性逐渐升高,到420天SPS活性显著下降[19]㊂本研究对甘蔗品种新台糖22 分蘖期到成熟期叶片中SPS酶活性进行分析表明,从分蘖期到拔节期酶活性升高,成熟期时显著降低,研究结果与Kalwade[19]一致㊂这些研究表明甘蔗源叶中SPS活性高低与库中蔗糖积累呈正相关㊂当库中蔗糖含量升高时,源端蔗糖合成活性也升高,在甘蔗生长后期,蔗糖积累完成后,源叶中SPS活性显著降低㊂这表明叶片中SPS酶活性变化响应茎秆中糖分积累,是源-库间糖分输出与积累调控的关键靶点,进一步揭示甘蔗叶片中调控SPS的分子作用网络,挖掘调控甘蔗糖分积累的关键因子,有利于促进甘蔗糖分性状改良㊂Kalwade[19]研究表明不同印度甘蔗品种叶片中SS酶活性变化趋势与SPS酶活性趋势一致,随着甘蔗茎秆中糖分积累SS酶活性逐渐升高,在茎秆中糖分积累完成后SS酶活性显著下降,并提出叶片中SPS和SS 共同调控甘蔗茎秆中糖分积累㊂而在本研究中不同生长时期新台糖22 甘蔗叶片中SS酶活性变化与SPS 酶活性变化趋势不一致,表明甘蔗叶片中SS酶活性变化调控机制与叶片自身的生长发育进程更为密切㊂已有研究表明,不同甘蔗品种叶片中转化酶活性,随着茎秆中糖分积累及甘蔗的成熟转化酶活性逐渐降低[13,19],本研究中新台糖22 甘蔗叶片中SAI和NI活性也是随着甘蔗生长及成熟逐渐降低,成熟期叶片中SAI㊁NI酶活性最低㊂进一步对不同生长时期中甘蔗叶片中的SPS㊁SS㊁SAI㊁NI酶活性差异进行比较分析,发现在甘蔗叶片中SAI㊁NI蔗糖转化酶活性高于SPS㊁SS酶活性,表明甘蔗叶片中SAI和NI参与调控甘蔗叶片生长发育,甘蔗生长早期活性高有利于己糖的快速利用,成熟期活性低有利于促进甘蔗茎秆中糖分1525中国糖料2023积累㊂对甘蔗叶片中的糖含量变化特征进行分析表明,叶片中蔗糖含量响应茎秆中糖分积累信号,叶片中蔗糖合成受茎秆中糖分积累的反馈调节㊂同时研究表明在分蘖期㊁拔节后期㊁成熟期甘蔗叶片中:SPS活性变化与蔗糖含量变化呈正相关,表明SPS直接调控叶片中蔗糖含量;SS蔗糖合成酶活性与叶片中蔗糖含量负相关,可能与SS多参与调控植物中多糖合成有关[7];SAI和NI水解蔗糖产生还原糖,而SAI和NI酶活性变化与还原糖含量呈负相关,表明SAI和NI水解产生的己糖被叶细胞大量吸收利用㊂目前对重要作物如水稻㊁玉米㊁小麦等的蔗糖代谢酶相关研究,无论是从基因水平还是酶学活性调控等方面的研究已经较为深入,而对甘蔗中蔗糖代谢酶相关家族成员的研究,无论是基因功能㊁转录水平还是蛋白水平的调控研究相对滞后㊂今后甘蔗的优良品种选育尤其在糖分改良方面,如果想从常规育种进入分子设计育种或生物育种,必需解析甘蔗品质性状改良的关键基因和蛋白作用网络才能促进甘蔗品种的更新迭代,进一步解析甘蔗中SPS调控机制并挖掘调控SPS关键作用因子,势必促进甘蔗的糖分性状改良,从根本上进一步提升甘蔗品质㊂4　结论甘蔗叶片中SPS活性和蔗糖含量响应茎秆中蔗糖积累信号,在茎秆中糖分快速积累时期叶片中蔗糖磷酸合成酶活性和蔗糖含量达到峰值,蔗糖磷酸合成酶是甘蔗源-库间蔗糖合成与积累调控关键靶点;叶片中SS㊁SAI㊁NI活性变化响应叶片自身生长发育需要,调控甘蔗整个生长发育进程㊂参考文献1HARRT C E KORTSCHAK H H P.Sugar gradients and translocation of sucrose in detached blades of sugarcane J .Plant Physiology 1964393460-474.2RUAN Y L.Sucrose metabolism Gateway to diverse carbon use and sugar signaling J .Annual Review of Plant Biology 201465133-67.3SCHMLZER K GUTMANN A DIRICKS M et al.Sucrose synthase A unique glycosyltransferase for biocatalytic glycosylation process development J .Biotechnology Advances 201634288-111.4BAXTER C J FOYER C H TURNER J et al.Elevated sucrose-phosphate synthase activity in transgenic tobacco sustains photosynthesis in older leaves and alters development J .Journal of Experimental Botany 2003543891813-1820. 5CHEN S HAJIREZAEI M PEISKER M et al.Decreased sucrose-6-phosphate phosphatase level in transgenic tobacco inhibits photosynthesis alters carbohydrate partitioning and reduces growth J .Planta 20052214479-492.6VOLKERT K DEBAST S VOLL L M et al.Loss of the two major leaf isoforms of sucrose-phosphate synthase in Arabidopsis thaliana limits sucrose synthesis and nocturnal starch degradation but does not alter carbon partitioning during photosynthesis J .Journal of Experimental Botany 201465185217-5229.7STEIN O GRANOT D.An overview of sucrose synthases in plants J .Frontiers in Plant Science 2019101-14.8雷美华叶冰莹张华等.植物蔗糖合成酶的研究现状 J .亚热带农业研究200734309-312.9秦翠鲜桂意云陈忠良等.植物蔗糖合成酶基因研究进展 J .分子植物育种201816123907-3914.10RUAN Y L JIN Y YANG Y J et al.Sugar Input metabolism and signaling mediated by invertase roles in development yield potential and response to drought and heat J .Molecular Plant 201036942-955.11MCCORMICK A J WATT D A CRAMER M D.Supply and demand sink regulation of sugar accumulation in sugarcane J .Journal of Experimental Botany 2009602357-364.12MCCORMICK A J CRAMER M D WATT D A.Changes in Photosynthetic Rates and Gene Expression of Leaves during a Source Sink Perturbation in Sugarcane J .Annals of Botany 2007101189-102.13ZHU Y J KOMOR E MOORE P H.Sucrose accumulation in the sugarcane stem is regulated by the difference between the activities of soluble acid invertase and sucrose phosphate synthase J .Plant Physiology 199********-616.14VAN HANDEL E.Direct microdetermination of sucrose J .Anal Biochem 1968222280-283.15王俊刚张树珍杨本鹏等.35-二硝基水杨酸 DNS 法测定甘蔗茎节总糖和还原糖含量 J .甘蔗糖业20085 45-49.35㊀第45卷,第2期赵婷婷,等:甘蔗叶片中蔗糖代谢酶活性及糖含量动态变化特征分析16牛俊奇黄静丽赵文慧等.甘蔗工艺成熟期SS和SPS酶活性与糖分积累的相关性研究 J .生物技术通报201531 9105-110.17牛俊奇苗小荣王道波等.高㊁低糖甘蔗品种伸长期糖分积累特征及代谢相关酶活性分析 J .江苏农业学报2019 353537-543.18VERMA A K UPADHYAY S K VERMA P C et al.Functional analysis of sucrose phosphate synthase SPS and sucrose synthase SS in sugarcane Saccharum cultivars J .Plant Biology 2011132325-332.19KALWADE S B DEVARUMATH R M.Functional analysis of the potential enzymes involved in sugar modulation in high and low sugarcane cultivars J .Applied biochemistry and biotechnology 201417241982-1998.The Change Characteristic Analysis of Enzymes for Sucrose Metabolism Activity andSugar Contents in Sugarcane Leaves ZHAO Tingting,YANG Benpeng,WANG Jungang,GAN Yimei,ZHANG Shuzhen (Key Laboratory of Biology and Genetic Resources of Tropical Crops,Institute of Tropical Bioscience and Biotechnology,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences/Key Laboratory for Biology and Genetic Resources of Tropical Crops of Hainan Province,Hainan Institute for Tropical Agricultural Resources/Sugarcane Research Center of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Ministry ㊀㊀㊀of Agriculture,Haikou571101)Abstract:To analyze the changing features of sucrose metabolism enzymes and sugar contents in sugarcane leaves at different growth stages and clarify the source-sink sugar accumulation mechanism in sugarcane,the activities of sucrose phosphate synthase(SPS),sucrose synthase(SS),soluble acidic invertase(SAI)and neutral invertase(NI)and sugar contents in mature leaves from ROC22 sugarcane plants at tillering, elongation and mature growth stages were measured with colorimetric methods.The results showed that the sucrose synthesis activity of SPS were increased from10.3μmol/(gFW㊃h)to14.6μmol/(gFW㊃h)in leaves of sugarcane plants from tillering stage to elongation stage and reached the maximum at the sucrose rapid accumulation stage.The SPS activity in sugarcane leaves was decreased greatly to5.3μmol/(gFW㊃h)in plants at maturation stage.The sucrose synthesis activities of SS in sugarcane leaves were decreased from 14.0μmol/(gFW㊃h)to9.1μmol/(gFW㊃h)the plants at the sugar accumulation growth stage.The activities of SAI and NI ranged from26.0to30.2μmol/(gFW㊃h)in sugarcane plants at tillering growth stage and decreased to13.9~16.4μmol/(gFW㊃h)at mature stage.The sucrose content reached the highest of 20.57mg/gFW in sugarcane leaves from plants at sugar accumulation elongation growth stage.The reducing sugar content was2.1mg/gFW in leaves at tillering growth stage and increased to5.45mg/gFW and 7.15mg/gFW at elongation and maturation growth stages,respectively.The SPS activity changes were positive correlation with sucrose content changes in leaves of sugarcane plants.It indicated that SPS directly regulated the sucrose content in sugarcane leaves.These results showed that the SPS activity and sucrose content in sugarcane leaves actively responded to the sugar accumulation signals in sugarcane stalks.It indicates that SPS in sugarcane leaves is the key regulation target during source-sink sugar synthesis and accumulation.The SPS activity and sucrose content in sugarcane leaves reaches the maximum during sugar rapid accumulation in sugarcane stalks. Further clarifying the molecular network regulating SPS activity in sugarcane leaves will provide theoretical basis for improvement of sugar content in sugarcane.Key words:sugarcane;sucrose metabolism;sucrose metabolism enzyme;sugar content。

黄秋葵果实发育过程中细胞壁组成成分、糖代谢及相关酶活性的变化

ｔｉｅｓｏｆｃｅｌｌｕｌａｓｅｓｙｎｔｈａｓｅ ( ＣｅｓＡ) ａｎｄｋｏｒｒｉｇａｎ ( Ｋｏｒ) ｉｎ￣
ｃｒｅａｓｅｄꎬ ｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｏｆｓｕｃｒｏｓｅｓｙｎｔｈａｓｅ ( ＳＳ￣Ｉ) ꎬ ｅｎｄｏ￣
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势ꎬ果糖与葡萄糖的含量均在花后６ｄ达到峰值ꎬ果实中蔗糖磷酸合成酶( ＳＰＳ) 和蔗糖转化酶( ＳＡＩ、ＢＡＩ、ＮＩ) 活性的
峰值期均出现在果实老化前ꎮ 综上所述ꎬ纤维素含量不断增加是影响黄秋葵果实老化的主要因素ꎬＣｅｓＡ、Ｋｏｒ和 β￣
ＧＣ为参与纤维素代谢的关键酶类ꎬ蔗糖代谢酶参与了黄秋葵果实的成熟老化过程ꎮ
黄秋葵是一种营养丰富、极具保健价值的药食
不可逆地分解为果糖和葡萄糖ꎬＩｖｒ分为酸性转化酶
且嫩荚果在高温季节采收ꎮ 近年来ꎬ随着黄秋葵的
为两种类型ꎬ一类存在于液泡中ꎬ称为可溶性酸性转
两用新型蔬菜
[１]
ꎬ秋葵的荚果是主要的食用器官ꎬ
功效不断被挖掘及科普ꎬ市场消费需求不断扩大ꎬ黄
秋葵的栽培面积持续增加
江苏农业学报２０２３年第３９卷第５期
１２１８
β￣１ꎬ４￣ｇｌｕｃａｎａｓｅ ( Ｃｘ) ａｎｄｅｘｏ￣β￣１ꎬ４￣ｇｌｕｃａｎａｓｅ ( Ｃ１) ｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｄꎬ ａｎｄｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｙｏｆ β￣ｇｌｕｃｏｓｉｄａｓｅ
田间种植试验于龙岩市农业科学研究所龙门赤
ꎮ 由于纤维素结构非常
水基地进行ꎬ供试品种为近年来中国广泛栽培、深受
解ꎮ 随着生物技术的发展ꎬ普遍认为多组分纤维素
机区组试验ꎬ每小区种植黄秋葵６０株ꎬ共６个小区ꎬ

铁皮石斛酸性蔗糖转化酶基因家族鉴

刘博婷，唐演儿，李　琳，等．铁皮石斛酸性蔗糖转化酶基因家族鉴定及低温下表达分析［Ｊ］．江苏农业科学，２０２２，５０（２４）：３３－４２．ｄｏｉ：１０．１５８８９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－１３０２．２０２２．２４．００５铁皮石斛酸性蔗糖转化酶基因家族鉴定及低温下表达分析刘博婷１，２，唐演儿１，李　琳１，林一帆１，李学诗１，于白音１，３，刘羽佳１，２，３［１．韶关学院英东生物与农业学院，广东韶关５１２００５；２．广东省北食药资源利用与保护重点实验室（韶关学院），广东韶关５１２００５；３．韶关市石斛工程技术开发中心，广东韶关５１２００５］摘要：为了探究ＤｃＡＩ家族基因的生物学特性及其在逆境响应中的潜在功能，基于已公布的铁皮石斛基因组数据，对铁皮石斛ＤｃＡＩ基因家族进行鉴定和生物信息学分析，并用ＲＮＡ－Ｓｅｑ（转录组测序）技术分析其在低温胁迫下的表达模式。

结果表明，ＤｃＡＩ基因家族共有４个成员，其中液泡蔗糖转化酶编码基因和细胞壁蔗糖转化酶编码基因各２个，在数量上与其他物种间的差异较大，存在基因丢失现象。

ＤｃＡＩｓ具有相似的内含子／外显子结构，且不均匀地分布在染色体上，其蛋白质结构高度保守，具有酸性蔗糖转化酶特有的氨基酸保守基序。

ＤｃＡＩｓ启动子含有多种顺式作用元件，涉及光响应、胁迫响应、激素响应、发育调节等多种生理生化过程；ＤｃＡＩｓ在铁皮石斛不同组织中的表达丰度不同，具有明显的组织表达特异性；ＤｃＡＩｓ在低温胁迫下呈现不同的表达模式，以同工酶形式在不同组织中对低温胁迫采取不同的响应机制，推测ＤｃＡＩｓ可能通过调节自身基因的表达以提高细胞内可溶性多糖含量，从而增强铁皮石斛对低温的耐受能力。

研究结果可为ＤｃＡＩｓ基因的利用及铁皮石斛优良种质的分子遗传改良提供参考借鉴。

关键词：铁皮石斛；酸性蔗糖转化酶；基因家族；生物信息学；表达分析；冷胁迫响应中图分类号：Ｓ５６７．２３＋９．０１文献标志码：Ａ文章编号：１００２－１３０２（２０２２）２４－００３３－１０收稿日期：２０２２－０２－１６基金项目：广东省基础与应用基础研究基金（编号：２０２０Ａ１５１５０１１４３８）；国家自然科学基金（编号：３２０００２６６）；国家级大学生创新创业训练计划（编号：２０２１１０５７６０１５）；广东省普通高校工程技术中心建设项目（编号：２０２１ＧＣＺＸ０１１）；韶关市科技计划（编号：２００８１０２２４５３７５８３、２１０７３１０８４５３０２０３）；韶关学院科研重点项目（编号：ＳＺ２０１９ＺＫ０４）。

2021植物花粉败育相关因素综述范文1

2021植物花粉败育相关因素综述范文摘要：　雄蕊心皮化、雄蕊受损和花粉发育异常等多种因素都可以导致植物雄性不育，形成败育的花粉粒。

综述了在雄性不育中植物花粉败育与呼吸作用、膜脂过氧化、物质代谢和小RNA等的关系。

关键词：　花粉败育;呼吸作用; 膜脂过氧化; 物质代谢; 小RNA; Abstract：　Manyfactors, such as pistillody of stamens, damage of stamens and abnormal pollen development, can lead to male sterility in plants and the formation of abortive pollen grains. The relationship between pollen abortion and respiration,membrane lipid peroxidation, material metabolism and sRNA in male sterile plants was reviewed. Keyword：　pollenabortion; respiration; membrane lipid peroxidation; material metabolism; sRNA; 在对玉米、水稻、小麦和油菜的研究中都有雄性不育的报道[1,2,3,4]。

雄蕊心皮化、雄蕊受损和花粉发育异常等多种因素都可以导致植物雄性不育，形成败育的花粉粒[5]。

目前，基于大量的研究发现，导致花粉败育主要与线粒体的呼吸作用异常、膜脂过氧化、物质代谢紊乱和小RNA功能异常等有着密切的关联。

1、植物花粉败育与呼吸作用的关系在雄性不育系中，与呼吸过程有关的酶类活性普遍低于保持系，表明雄性不育系中花药的呼吸作用受到了抑制，使得能量平衡被打破，这是不育系的一个非常重要的特征[6]。

番茄叶片胞壁转化酶cDNA克隆及反义沉默表达分析

番茄叶片胞壁转化酶cDNA克隆及反义沉默表达分析吴正景;程智慧;孟焕文【摘要】Total RNA was isolated from tomato (cv. 'Zhongshu No. 4') leaves using the specific primers designed according to the sequence of cell wall invertase gene in GenBank. A fragment about 416bp was amplified by reverse transcription and polymerase chain reaction. Sequence analysis showed the amplified fragment was the LIN6 cDNA fragment of the cell wall invertase gene. The fragment was inserted into plant expression vector pBinAR between CaMV 35S promoter and OCS terminator to form an antisense plant expression vector pBinAR-aLIN6. Five transgenic tomato plants (cv. MicroTom) , identified by PCR and Southern hybrids detection, were obtained through transferring of EHA105/pBinAR-aLIN6. The activity of cell-wall invertase in the leaves of those five antisense plants was found decreasing by 67. 9%, 13. 4%, 73. 5%,85. 6% and 58. 0% ,respectively.%参考GenBank登录的植物胞壁转化酶基因序列,设计1对PCR引物,以番茄(‘中蔬四号’)叶片总RNA的反转录产物为模板,扩增出长为416 bp的cDNA片段,Blast 结果表明,其为番茄胞壁转化酶基因LIN6片段；将其反向插入双元载体pBinAR的CaMV 35S启动子和OCS终止子间,构建反义植物表达载体pBinAR-aLIN6.通过农杆菌EHA105介导转化番茄MicroTom,PCR和Southern斑点杂交检测表明,共获得5株转基因番茄；生化检测表明,5个转化植株叶片胞壁转化酶活性分别比未转化植株下降67.9％、13.4％、73.5％、85.6％和58.0％.【期刊名称】《西北植物学报》【年(卷),期】2012(032)002【总页数】5页(P241-245)【关键词】番茄;胞壁转化酶;RT-PCR;反义沉默【作者】吴正景;程智慧;孟焕文【作者单位】西北农林科技大学园艺学院,陕西杨陵712100;河南科技大学林学院,河南洛阳451003;西北农林科技大学园艺学院,陕西杨陵712100;西北农林科技大学园艺学院,陕西杨陵712100【正文语种】中文【中图分类】Q786当植物遭受胁迫，例如受伤或病菌侵染，有许多基因参与的一系列防御反应受到诱导。

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高等植物中的转化酶
报告人：王爱华
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转化酶的概念转化酶的分类分布转化酶在植物糖代谢中的作用转化酶基因的进化
1 概
念
转化酶（Invertase)，又称蔗糖酶或β-呋喃果糖苷酶。是与蔗糖代谢密切相关的一种酶，催化蔗糖不可逆水解成葡萄糖和果糖。
Sucrose +H2O ----- Glucose + Fructose 与糖代谢相关的酶
反义mRNA技术研究转化酶功能（1）
Phenotypic Changes in Transgenic Plantlets Expressing Antisense mRNA for Vacuolar Invertasห้องสมุดไป่ตู้ or Cell Wall Invertase
All plantlets were grown on half-strength Murashige and Skoog medium containing only macroelements and microelements and 3% sucrose. The transgenic control plantlets harbor the promoter of the gene for carrot cell wall invertase fused to the GUS reporter gene. (A) Antisense plantlets for cell wall invertase (Acwi-59, Acwi-65, and Acwi-76) and wild-type (W T) and transgenic control plantlets (B) Antisense plantlets for vacuolar invertase (Avi-34, Avi-47, and Avi-65) and wild-type (W T) and transgenic control plantlets
a. 一般在植物的分生组织和快速生长的幼嫩的组织和器官中（如幼嫩的叶片、茎、根尖和果实等）细胞壁转化酶以及液泡转化酶的活性较高（Estruch 和 Beltran, 1991; Xu 等 , 1989） b. 细胞壁转化酶和单糖转运蛋白互作控制细胞分裂和生长（Weschke 等, 2003） c. 抑制转化酶基因表达植物生长异常（反义RNA 技术）
反义mRNA技术研究转化酶功能（3）
Electron microscopic pictures of pollen from wild-type (A and B) and transgenic plants (C-F)
(A) SEM picture of wild-type pollen. (Bar = 5 µ m.) (B) Transmission EM (TEM) picture of wild-type pollen. (Bar = 5 µ m.) (C) SEM picture of pollen from NT23-4. (Bar = 5 µ m.) (D) TEM picture of pollen from NT23-4. (Bar = 5 µ m.) (E) SEM picture of pollen from NT23-6. (Bar = 5 µ m.) (F) TEM picture of pollen from NT23-6. (Bar = 5 µ m.) NT23-4 represents one of the plants whose pollen shows germination efficiencies between 25% and 40%; NT23-6 is one of the plants with germination efficiency <2%
(A) An Acwi plant and a control plant (B) An Avi plant and a control plant
Source: Plant Cell, Vol. 11, 177-190, February 1999, Copyright © 1999, American Society of Plant Physiologists
源细胞
库细胞
3 转化酶在植物糖代谢中的作用
调节植物的生长发育和器官建成细胞壁转化酶在蔗糖的卸载中发挥作用液泡转化酶促进成熟器官液泡的蔗糖积累调节淀粉合成一些酸性转化酶基因作用于病原防治细胞壁转化酶与抗衰老有关
酸性转化酶与植物的非生物（干旱）抗性有关转化酶在信号传导中的作用
3.1 调节植物生长发育和器官建成
是
细胞质类型 (中性/碱性)
7.0-7.5
可溶
否
2.2 转化酶在源和库细胞中的分布
叶绿体
CALVIN 循环淀粉
蔗糖丙糖
CYT INV
质外体蔗糖蔗糖
CW INV CYT INV
细胞质葡萄糖果糖葡萄糖葡萄糖果糖蔗糖
VAC INV
葡萄糖
果糖果糖
葡萄糖果糖蔗糖
VAC INV
液泡
液泡
Source: Plant Cell, Vol. 11, 177-190, February 1999, Copyright © 1999, American Society of Plant Physiologists
反义mRNA技术研究转化酶功能（2）
Phenotypic Changes in Mature Transgenic Plants
Plants were grown in soil in a growth chamber. The control plants are transgenic and harbor the promoter of the gene for carrot cell wall invertase fused to the GUS reporter gene.
蔗糖磷酸合成酶（SPS）磷酸蔗糖磷酸化酶（SPP）蔗糖合成酶（SuSy）转化酶(Inv)
2.1 转化酶的分类
转化酶类型最适pH范围溶解性底物是否糖基化
细胞壁类型 (酸性,细胞外)
4.5-5.0
不溶或可溶
蔗糖/ 棉籽糖 …
是
液泡类型 (酸性)
4.5-5.0
可溶
蔗糖/ 棉籽糖 … 蔗糖