蔗糖代謝研究進展

蔗糖代謝研究進展

0蔗糖代謝的生理生化規(guī)律及研究方向甘蔗是植物體內的能量載體，是植物生長和發(fā)育過程中的重要化合物之一。對于某些作物而言,還是人類食糖和能源供應的重要來源。近年來,隨著人類生活質量的提高和人口的不斷增加,食糖和能源供應也已開始出現(xiàn)危機。因此,研究植物蔗糖代謝的生理生化規(guī)律,尤其是高產(chǎn)糖作物的蔗糖代謝機理,將有利于增加蔗糖產(chǎn)量,提高蔗糖的利用效率。近年來,人們在蔗糖代謝的機理研究等方面取得了很多的成果,研究方向包括蔗糖的合成代謝途徑、相關酶活性與蔗糖含量的關系以及重要基因的表達調控等方面。最近,在蔗糖轉運載體以及信號轉導調控等方面也取得了一些突破。對近些年國內外蔗糖代謝的研究進展進行綜述,將為今后利用生物工程手段提高植物體內的蔗糖含量提供指導。1磷酸丙糖代謝在高等植物中,蔗糖的合成一般具有三個步驟,主要包括同化產(chǎn)物在葉綠體的合成、同化產(chǎn)物的輸出以及蔗糖在細胞質中的合成。在葉綠體中,光合碳代謝首先形成的磷酸丙糖(TP),然后TP的去向直接決定了有機碳的分配。TP主要有三種去向,一是繼續(xù)參與卡爾文循環(huán);二是在葉綠體內在一系列酶作用下合成淀粉;三是由位于葉綠體膜上的磷酸丙糖轉運器(TPT)運輸?shù)郊毎|,進而合成蔗糖(圖1)。合成的蔗糖大部分輸出光合細胞,經(jīng)韌皮部裝載途徑通過長距離運輸運向庫細胞,最后在庫細胞的液泡內儲存。少部分蔗糖也可以臨時貯藏于光合細胞的液泡內。1.1-二磷酸核酮糖的抗氧化酶系統(tǒng),c植物的光合速率一方面取決于二氧化碳(CO2)濃度,光和強度等因素,另一方面也受到參與卡爾文循環(huán)(Calvincircle)的各種酶的活性的影響。此外,還受到原初同化產(chǎn)物的分配、碳水同化產(chǎn)物的運輸及在庫器官的利用等自身代謝的調控。卡爾文循環(huán)最主要的意義是完成CO2的固定。它可以分為3個主要步驟:(1)產(chǎn)生3-磷酸甘油酸的羧化反應;(2)3-磷酸甘油酸的還原反應;(3)產(chǎn)生CO2接受體的反應。1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(RubisCO)是進行光合碳同化和CO2固定的關鍵性酶和限速酶。其能調節(jié)光合作用和光呼吸2個過程之間的關系,決定了凈光合速率的大小。雖然在光強較弱時,RubisCO的調節(jié)功能并沒有表現(xiàn)出來,但在高光強下,RubisCO的活性是光合速率的限制因素之一。RubisCO活性的降低不僅能導致卡爾文循環(huán)中其他的酶活性下降,還能促使細胞中N/C比值升高,導致葉片中N的大量積累。對其轉基因的研究發(fā)現(xiàn),在轉基因植株中,RubisCO蛋白含量的降低將導致類胡蘿卜素、葉綠素含量的降低,而其光合效率也顯著降低,但光敏感性有所增加。以上結果說明此酶與光合速率有很大的關系。除了RubisCO,在葉綠體中還有一個關鍵的酶也具有重要的作用,那就是1,6-二磷酸果糖酶。它主要參與產(chǎn)生CO2接受體的反應。當酶活性降到10%時,葉片中碳水化合物的總量僅僅為對照的25%,可溶性碳水化合物與非溶性碳水化合物的比值在轉基因植株中提高了2.8倍,且碳水化合物的分配也顯著改變。1.2對葉綠體tpt活性的影響在光合反應中,TP是卡爾文循環(huán)的凈光合產(chǎn)物,它參與多種反應過程,主要包括葉綠體的反應和細胞質的反應過程,但是僅僅只有少部分的TP可以參與這些反應。在高等植物中,葉綠體與細胞質的物質交流對于調節(jié)光合速率起到了重要作用。在植物中,TPT蛋白可以負責TP的運輸。當TPT將TP從葉綠體的輸出時,細胞質中的無機磷酸(Pi)也會從細胞質進入葉綠體,這個物質交換式雙向的。當細胞質中的Pi缺乏時,就會抑制TP的輸出,從而使更多的TP轉化為淀粉并貯存在葉綠體中。目前,TPT基因序列已從馬鈴薯、花生和菠菜等幾種植物中分離出來,而且具有很高的同源性。表達分析的結果表明,TPT的主要表達部位在綠色組織中,其表達受到光的調控。Reismeier等的轉基因實驗表明,當TPT的活性降低20%~30%時,植株會出現(xiàn)矮化現(xiàn)象,并且光合作用顯著下降。進一步的實驗證明,雖然TPT活性的降低對光和效率沒有抑制作用,但其降低能顯著地影響碳水化合物在葉綠體和細胞質的分配。TPT活性的降低還會導致TP輸出葉綠體受阻從而造成淀粉的積累。這些數(shù)據(jù)都說明TPT是光合速率的一個限制因素。在利用RNA抑制技術對其進行轉基因的試驗中發(fā)現(xiàn),轉基因馬鈴薯葉綠體中TP含量明顯增加,而無機磷的含量則下降,同時造成蔗糖和氨基酸在細胞質中的合成受阻。這就證明TPT的活性降低會改變碳水同化產(chǎn)物的分配,造成淀粉在葉綠體中積累,光和速率受到抑制。1.3fbp在甘蔗水稻中的表達TPT將TP從葉綠體中運出之后,在細胞質中參與蔗糖、氨基酸和脂肪酸的合成反應。細胞質是目前發(fā)現(xiàn)的唯一能合成蔗糖的組織,光合細胞中參與蔗糖生物合成的所有酶都位于細胞質中。在蔗糖的合成過程中,主要限速酶有1,6-二磷酸果糖酶(FBP)和磷酸蔗糖合成酶(SPS)。FBP調控1,6-二磷酸果糖向6-磷酸果糖的轉化;SPS催化尿苷二磷酸葡萄糖(UDGP)和6-磷酸果糖生成6-磷酸蔗糖。SPS是蔗糖合成的最后一步,是一個不可逆的反應,其作用更加重要。FBP催化1,6-二磷酸果糖分解為6-磷酸葡萄糖和無機磷酸,為蔗糖的合成提供必需單糖。在甜菜葉片中,在晝夜循環(huán)過程中蛋白質含量變化不大,但FBP酶活性和轉錄速率存在較大的變化,在日照即將結束時最高,而在黎明是最低。對其不同組織的表達分析表明,FBP在幼根中的酶活性很低,但是在老的纖維根中酶活性非常高。Khayat發(fā)現(xiàn)在發(fā)黃的葉片中酶活性低,蛋白質及轉錄產(chǎn)物都幾乎不存在。Sakiko對水稻中FBP的表達模式進行了研究,結果發(fā)現(xiàn)在葉片和葉鞘中均有FBP的轉錄產(chǎn)物mRNA。在菠菜中,其mRNA在發(fā)黃的葉片中也被檢測到。此基因既有轉錄水平的調控,又有翻譯水平的調控。目前已經(jīng)從幾種植物例如菠菜,甘蔗,水稻中克隆出了的FBP的cDNA序列。轉基因的結果表明,在擬南芥中抑制FBP的表達會導致蔗糖合成速率的降低,磷酸化中間產(chǎn)物的積累,以及淀粉合成的增加。在轉基因馬鈴薯中,當酶活性低于野生型的20%時,會導致在源葉片中1,6-二磷酸果糖、3-磷酸甘油酸和磷酸丙糖的積累,而在光照和CO2充足的情況下,光合速率也會顯著下降。Zrenner用同位素標記法對光合產(chǎn)物流向和流速進行了分析,結果表明細胞質中蔗糖的合成速率會降低53%~65%,而淀粉合成速率僅僅降低18%~24%。以上結果表明FBP在調控蔗糖合成中起重要作用。SPS是植物中調控蔗糖合成的關鍵酶之一,SPS催化UDPG和6-磷酸果糖生成6-磷酸蔗糖,這步反應是不可逆的。在番茄中過量表達玉米的SPS基因,在轉基因株中SPS蛋白含量比野生型提高3~7倍,蔗糖含量在轉基因番茄中略有增加。在馬鈴薯和煙草中過量表達菠菜的SPS基因,SPS蛋白提高了2~3倍,但蔗糖含量卻沒有明顯變化。反義表達的結果表明,在轉基因植物中,SPS的mRNA含量、蛋白含量以及SPS酶活性都有下降。在葉片中,SPS的活性降低了60%~70%,蔗糖含量降低了40%~50%,而淀粉含量提高了34%~43%。在擬南芥中降低SPS的活性會導致蔗糖合成受到抑制,從而使可溶性糖含量和蔗糖的轉運速率降低。Krause也指出,轉基因植物的所有葉片中SPS含量的降低會導致可溶性糖含量的降低。但是中間產(chǎn)物沒有累積,而且碳水同化產(chǎn)物也沒有向淀粉合成的方向轉移。SPS蛋白含量的降低雖然沒有增加凈光合速率,但可以改變碳水化合物在蔗糖、淀粉以及氨基酸的分配比例,而SPS含量的增高會造成植物氨基酸合成的降低。除了上面提到的2種酶外,人們還對果糖-1,6-二磷酸轉移酶(PFP)進行了研究。但是轉基因的實驗表明,PFP在調節(jié)細胞質中焦磷酸庫的代謝中不起關鍵作用。PFP在控制蔗糖合成的反應中也可能不起關鍵作用。2糖的運輸高等植物蔗糖的轉運主要集中在兩方面的研究,一是研究蔗糖運輸?shù)倪^程,一是研究蔗糖的轉運載體。2.1運輸和貯藏過程高等植物如甘蔗,在葉片中形成的蔗糖一部分被水解成果糖和葡萄糖,供生長之需,另一部分則被運輸?shù)劫A藏薄壁組織的液泡中并積累。在蔗糖的運輸過程中,蔗糖首先被運輸?shù)巾g皮部,然后進行裝載后進入篩管,后通過長距離運輸?shù)竭_貯藏部位,最后在韌皮部卸出后進入莖稈中的薄壁細胞,最后大部分在薄壁細胞中貯藏,也有一部分被分解供其他的用途(圖2)。在整個運輸過程中,蔗糖從葉肉細胞到薄壁組織大概要經(jīng)歷5個步驟。2.1.1質膜上的項目形貌,將葉肉細胞間細胞內物質的運輸分為共質體和質外體運輸2類。在甘蔗中,質外體運輸是韌皮部裝載的主要途徑,因為韌皮部的傳導細胞與葉片中的其他細胞不是通過胞間連絲相連的。質膜上的質子-蔗糖共運載體是蔗糖運輸過程中的一個重要的載體,現(xiàn)已證實,位于膜上的蔗糖運載體在介導蔗糖向韌皮部裝載的運輸過程中起重要作用。它可以將葉肉細胞的光合組織中合成的蔗糖通過質外體運輸?shù)桨榘?同時需要有H+梯度的驅動),然后質子-蔗糖共運載體經(jīng)胞間連絲進入篩管。同時,蔗糖的流出也會引起韌皮部庫細胞滲透壓的減小。2.1.2能量作用的驅動篩管-半胞復合體(SE-CC)是蔗糖運輸?shù)闹饕窂?蔗糖在通過SE-CC復合體運輸是一種集體流。蔗糖之所以能不斷的向庫器官流動,主要是源、庫兩側內有滲透壓,產(chǎn)生的壓力梯度能驅動的蔗糖的流動。具體來說,蔗糖不斷向SE-CC復合體進行裝載會形成壓力梯度,壓力驅動會使蔗糖不斷從SE-CC復合體卸出,同時,韌皮部和木質部之間水分也存在交換。韌皮部水分的增加,需要有物質來降低其水勢,而蔗糖在能量的驅動下主動裝載進入篩管分子,將可以達到這一目的。篩管分子從鄰近的木質部吸收水分會引起篩管膨壓的增加,同時,庫端篩管中的蔗糖不斷卸出又會使篩管內水勢提高,從而引起庫端篩管內膨壓的降低。因此,只要蔗糖的韌皮部裝載和卸出過程不間斷進行,源和庫間就能維持一定的壓力梯度,從而促使蔗糖由源端向庫端不斷運輸。2.1.3通過共質體檢測蔗糖蔗糖由SE-CC復合體運輸?shù)綆祉g皮部后,接下來就是從韌皮部運輸?shù)劫A藏薄壁細胞或者再被分解。在甘蔗中,木質化的厚壁細胞緊緊包圍著莖的維管束。這一層厚壁細胞會形成一個屏障,使蔗糖不能通過質外體途徑從韌皮部運向薄壁細胞。在的維管束中所有細胞都是由胞間連絲通過共質相連的。在貯藏薄壁組織的質外體中發(fā)現(xiàn)高濃度蔗糖。這表明:為了維持蔗糖壓力梯度,蔗糖可能是從共質體運向質外體或液泡的。另外,Rae等也利用共質體染色示蹤劑方法證明了蔗糖是從韌皮部運輸?shù)骄S管薄壁細胞,然后通過厚壁細胞進入維管束周圍薄壁細胞的。此外,還有一些有關蔗糖運載體的說法。雖然蔗糖運載體在韌皮部裝載途徑中的作用已得到證實,但是否在卸載途徑和韌皮部后途徑中起作用目前還不清楚。2.1.4轉化酶對蔗糖運輸?shù)挠绊懻崽潜恍遁d到質外體的過程,有可能轉化為其他形式的糖。如在甘蔗中,蔗糖很有可能被轉化酶和蔗糖合成酶分解成己糖,供其他的發(fā)育的需求。尤其是在籽粒發(fā)育時,需要大量的能量,這些能量一部分就是蔗糖分解后提供的。在甘蔗中,轉化酶是非常重要的一類酶,其直接調控著蔗糖的累積。轉化酶不僅控制質外體中蔗糖向已糖轉化的比例,還能影響到莖稈中蔗糖的含量。正是由于轉化酶的存在,使得蔗糖濃度降低,這樣又可以給蔗糖的運輸提供一些動力。但是轉化酶活性與已糖含量在未成熟的組織中存在較多,而在成熟的莖稈中幾乎檢測不到。這也表明通過轉化酶來提供蔗糖運輸?shù)膭恿υ诎l(fā)育早期有意義,而在成熟期幾乎不起什么作用了。此外,在甘蔗中,莖稈中的己糖還能在SPS的作用下重新合成蔗糖。而高粱可能與甘蔗不同,它莖稈中的蔗糖絕大部分都是由葉片直接運輸?shù)綆旒毎?幾乎沒有再合成的步驟。2.1.5液泡+蔗糖蔗糖運輸?shù)淖詈笠徊骄褪钦崽堑睦鄯e了。在甘蔗莖中,薄壁細胞的空間大部分都被液泡占據(jù),大約占70%以上,而大部分蔗糖則儲藏于液泡內。進入液泡中的蔗糖將可以為蔗糖向薄壁細胞的連續(xù)運輸提供驅動力。但液泡內高蔗糖濃度的維持需要消耗ATP,并且可能和焦磷酸酶有關系。2.2起重要的調節(jié)作用在蔗糖叢“源”到“庫”的轉運過程中,蔗糖載體蛋白起至關重要的調節(jié)作用。近些年,人們已經(jīng)成功分離了一批蔗糖載體蛋白,并對其的結構和生物學功能進行了分析,也提出了蔗糖載體蛋白間的互作模式和表達調控模式。2.2.1蔗糖載體蛋白基因的鑒定自Riesmeier等[39-41]首次從菠菜中克隆到第1個蔗糖載體蛋白(SoSUT1)的cDNA后,人們相繼從水稻、馬鈴薯等植物中分離鑒定了一系列的蔗糖載體蛋白基因或cDNA。目前,在GenBank等數(shù)據(jù)庫中已發(fā)表或者已經(jīng)公開的蔗糖載體蛋白基因至少有69個。所有的蔗糖載體蛋白都可以分為SUT1,SUT2和SUT43個族。SUT1族均來自雙子葉植物;SUT2和SUT4族既包括雙子葉植物也包含單子葉植物。相關研究表明,SUT2和SUT4族很可能擁有共同的祖先,而SUT1族則可能是由雙子葉植物進化過程中產(chǎn)生的新類群。2.2.2sut2家族糖質和糖質結構及調控植物蔗糖的作用目前分離的蔗糖載體蛋白,其氨基酸序列和蛋白質二級結構都具有很高的相似性。基本結構中通常包含了12個跨膜結構域,其N端和C端都位于質膜的內側,而其彎曲的結構將在膜外和膜內分別形成6和5個環(huán),但是不同的族間,膜內的環(huán)存在一定的差異。研究還發(fā)現(xiàn),SUT2家族不僅擁有其他家族的跨膜結構,還具有獨特的葡萄糖感應器SNF3和RGT2的胞質環(huán)結構域,在胞質環(huán)中還包含2個保守結構域CCB1和CCB2盒。植物蔗糖的轉運包括蔗糖的裝載、運輸、卸出及再分配等過程,在不同過程中承擔的功能也不相同。現(xiàn)在普遍認為,SUT1主要參與“源”和“庫”韌皮部中蔗糖的裝載和卸載過程。此外,在一些植物中還發(fā)現(xiàn),SUT1家族還參與花粉發(fā)育和花粉管形成的營養(yǎng)供給以及維生素H的轉運功能。SUT2家族雖然被發(fā)現(xiàn)具有很低的蔗糖親和性或者有些根本沒有蔗糖轉運活性,但是最近的研究發(fā)現(xiàn)質膜蔗糖的信號感應器,具有信號轉導功能。有關SUT4家族生物學功能的研究報道還很少,推測其可能參與韌皮部蔗糖的裝載、庫細胞蔗糖的運輸以及花粉管形成的過程。2.2.3sut2家族近些年,人們在蔗糖載體蛋白的表達調控模式研究較多,研究發(fā)現(xiàn)3種蔗糖載體蛋白家族基因的表達調控模式存在明顯不同。SUT1家族不同基因的表達均具有較明顯的組織特異性,基因定位的研究表明其主要位于韌皮部篩分子或“庫”細胞質膜上。而且,其受到蔗糖、植物生長物質、鹽分、ATP等的調節(jié)。SUT2家族分為單子葉和雙子葉2種類型。單子葉植物中的SUT2家族蛋白主要分布于篩分子質膜上,雖然也受到蔗糖的調控,但是并無明顯的蔗糖轉運功能。雙子葉植物中的SUT2則表現(xiàn)出不同的特點,除在篩分子質膜上表達外,還可在花粉管、花藥、保衛(wèi)細胞、根尖、果莢等器官中表達。有些SUT2家族成員受到光照和糖分的誘導表達,但在不同的植物類型中存在明顯的差異。SUT4與SUT1類似,其蛋白主要在篩分子質膜上表達,但是表達的部位主要是源葉片小葉脈的篩分子質膜。3sai在秸稈中的作用上面已經(jīng)提到,在庫細胞中蔗糖可以被降解成己糖,供植物其他生長發(fā)育的需要。這里具體說一下轉化酶(Inv)和蔗糖合成酶(SS)。Inv催化蔗糖水解為葡萄糖和果糖。根據(jù)最適pH的不同,Inv分為酸性轉化酶(AI)和中性轉化酶(NI)。AI的最適pH大約為4.5~5.0,存在于細胞壁、細胞質和液泡中;NI的最適pH在7.0左右,一般存在于細胞質內。根據(jù)亞細胞位置的不同,AI又分為3種,細胞壁轉化酶(CWIN),細胞質轉化酶(CIN)和液泡轉化酶(VIN);而根據(jù)可溶性的不同又可分為可溶性酸性轉化酶(SAI)和不溶性酸性轉化酶(CWIN)2種形式。近年來,從分子水平上研究的結果表明,這2種形態(tài)的蔗糖轉化酶是由2類完全不同的基因家族編碼的。SAI存在于液泡中,其實就是VIN或者叫做VAI,它活性在未成熟的莖稈組織中很高,并且隨著莖稈的成熟而下降。而CWIN定位于質外體,以離子鍵的形式與細胞壁結合。SS是一種存在于細胞質中的可溶性酶,既可催化蔗糖合成又可催化蔗糖分解(果糖+UDPG←→蔗糖+UDP),但在莖稈中主要起分解蔗糖的作用。因此,與轉化酶相比,它的功能變得更加復雜。當蔗糖從韌皮部卸載至薄壁細胞組織中時,到達庫細胞的蔗糖一部分被分解利用,一部分被儲藏起來。目前,發(fā)現(xiàn)的能分解蔗糖的酶只有Inv和SS。Inv能將蔗糖分解成果糖和葡萄糖;而SS能將蔗糖分解成果糖和UDPG。Inv是一個不可逆的酶,而SS是一個可逆的酶。在分解過程中,蔗糖分子能促進蔗糖的分解,也就是說,較高濃度的蔗糖能催化反應向己糖(果糖和葡萄糖)方向進行;而較高的己糖濃度又反過來抑制蔗糖的降解,只有己糖不斷被利用,蔗糖才能不斷的被分解(圖3)。己糖可以被植物多種組織所利用,而UDPG的去向現(xiàn)在還不是很清楚,可能參加胼胝質等的生物合成。蔗糖可通過2種方式進入庫細胞,質外體途徑和共質體途徑。在運輸?shù)倪^程中可以被3個部位,以4種方式進行分解。在通過質外體途徑時,細胞壁中的CWIN可以將蔗糖轉化為果糖和葡萄糖,在細胞質中,蔗糖被細胞質中的CIN和SS分解成果糖和葡萄糖或者果糖和UDGP,在液泡中,蔗糖被VIN分解成果糖和葡