转化酶(酵母)的应用及其在植物生长发育中的调控

背景及概述^[1][2]

在高等植物中进行光合作用的“源”组织(主要是成熟叶片) 合成的碳水化合物主要是以蔗糖的形式通过韧皮部运送到非光合作用的“库”组织(例如花、果实、种子、根) 。到达“库”组织后，蔗糖被降解成己糖或其衍生物，进一步用于各种新陈代谢和生物合成过程。高等植物中存在 2 种催化蔗糖裂解反应的水解酶：蔗糖合酶( sucrose systhase，SS) 和转化酶(invertase，INV) 。当存在尿苷二磷酸( UDP) 时，蔗糖合酶将蔗糖可逆的催化分解 成果糖和尿苷二磷酸葡萄糖( UDPG)。而转化酶则将蔗糖不可逆的催化水解成葡萄糖和果糖。除了在初级碳代谢中发挥功能以外，转化酶还广泛参与了植物生长发育的调节过程。

分类及特点 ^[1]

按亚细胞定位，转化酶可分为细胞壁转化酶、液泡转化酶和细胞质转化酶；按最适 pH 划分，可分为酸性转化酶和中性转化酶。细胞壁转化酶、液泡转化酶归为酸性转化酶，而细胞质转化酶 归为中性转化酶。酸性转化酶的最适 pH 为 3.0 ～ 5.0，因为它可以分解蔗糖和其他 β-果糖类寡糖，又被称为 β-呋喃 果糖苷酶。酸性转化酶又分为可溶性的液泡转化酶和不溶性的细胞壁转化酶 2 种形式。两类转化酶不仅可以催化蔗糖的裂解，而且可以催化其他果糖糖苷如苏糖、棉子糖等。研究表明，这 2 种形态的转化酶是由两类完全不同的基因家族编码的。不同形式的转化酶在植物不同发育阶段和不同组织中的作用也不同。

应用^[3]

1）细胞壁转化酶的作用

在蔗糖经质外体途径从韧皮部卸载到库组织过程中，CWIN 水解胞外的蔗糖，以维持一定的蔗糖浓度梯度，驱动蔗糖顺利卸载。而 CWIN 催化生 成的己糖通过己糖转运蛋白运输进入受体细胞。 在植物花粉发育过程中蔗糖是以质外体途径被运送进 入的。因此，CWIN 与花粉发育关系密切。烟草花药特异性 表达的一个 CWIN 基因 Nin88 受到反义抑制后，花粉的早期发育受到阻碍，因此引发雄性不育。类似的研究也发现，低温、高温和干旱等非生物胁迫诱导的雄性不育现象与此时植物花药中的 CWIN 酶活性下降密切相关，导致输入花粉粒 的己糖量减少，成熟花粉中的淀粉积累受阻。以上证据表明，CWIN 主导的蔗糖胞外水解在植物花粉发育过程中 发挥了关键作用。而 CWIN 在种子发育的作用也有诸多报道。玉米中一个编码 CWIN 的基因 INCW2 突变缺失后，胚乳细胞有丝分裂受阻，引发籽粒显著缩小的表型。对棉花早期种 子发育过程中细胞壁转化酶基因 GhCWIN1 的表达模式 进行了探究，推断 GhCWIN 能抑制传递细胞的形成，并参与 调控胚乳核分裂和胚中维管组织分化过程。

2）液泡转化酶的作用

VIN 在液泡中催化水解蔗糖 成为己糖，因此决定了液泡中的己糖积累水平。研究发现，在栽培番茄( 己糖积累型) 果实成熟过程中 VIN 的活性大幅度增强，但在野生番茄品种( 蔗糖积累型) 果实成熟过程中其活性一直维持在较低的水平。以至于当 VIN 的表达被抑 制后栽番茄品种果实从己糖积累型转化为蔗糖积累型。进一步研究表明，VIN 能够调节果实和成熟块茎组织中的各糖类成分的平衡。在很多膨大(伸长) 中的库组织中都可以观察到较高的 VIN 表达量或者酶活性。通常研究者认为VIN 能够通 过渗透调节来控制细胞膨大，这是通过将蔗糖水解成 2 倍的 己糖来实现的，细胞渗透压得以加倍，促进胞外水分流入胞内，以驱动细胞膨大。除了“渗透学说”之外，也有研究表明，在拟南芥中 VIN 可能通过改变细胞壁的伸展性来促进细胞膨大。此外，单细胞的棉花纤维细胞是研究细胞伸长机制的良好模型。

调控^[3]

转化酶在植物生长发育的多个时期和多个方面发挥了重要的作用，因此转化酶的活性势必受到了植物体的精密调控，以确保植物生长发育的正常进 行。已有研究发现，转化酶受到多种信号的调控，包括糖信号、植物激素、环境胁迫和转化酶抑制因子等。

1）转化酶介导的糖信号响应

除了作为物质来源，糖分也是一种重要的信号分子，在调控基因表达和植物生长发育过程中，具有重要的信号转导作用。在蔗糖转化 酶的反应中，蔗糖和己糖(葡萄糖、果糖) 分别是酶促反应的底物和产物，理论上会对反应起到促进和反馈抑制作用。研表明，番茄中 CWIN 基因的表达能够被蔗糖上调。而有 意思的是，拟南芥、烟草中 CWIN 基因的表达能够被葡萄糖上调。这种葡萄糖含量上升导致对 CWIN 酶活性反馈 促进作用的具体机理尚不明确。另一方面发现玉米中外源性补充己 糖并不能使 INCW2 缺陷型突变体种子变得微小的表型得以恢复。相似地，研究者发现当烟草中花药特异性表达的 CWIN 被抑制后，补充葡萄糖和果糖仅仅能部分地恢复花粉 的正常发育和繁殖。这暗示了 CWIN 的存在不仅仅纯粹的提供营养物质己糖，还可能通过糖信号系统发挥调控作用。

2）转化酶受激素调节

植物激素的作用主要是调控 植物体组织分化和生长发育过程。研究发现，转化酶基因和酶活性的表达也受到多种激素的调控。番茄 CWIN 基因 Lin7 的表达随赤霉素(GA) 的合成受阻而下调。研究者将番茄中一个CWIN 基因 Lin5 的启动子与 GUS 报告基因融合，发现施加赤霉素( GA) 、生长素( IAA) 和脱落酸(ABA) 都能增加 GUS 的活性，即这些激素都能使 Lin5 的表达上调。玉米中类似的试验也证明，ABA 能诱导 VIN 基因 Ivr2 的高表达。此外，油菜素内酯能促进番茄幼苗下胚轴节间的伸长，在下胚轴处 CWIN 基因 Lin6 的表达也受到特异 性诱导。同时转化酶活性的变化也会对相关植物激素产生相应影响。比如烟草中 CWIN 的活性受抑制后，细胞分裂素( CTK) 介导的延缓叶片衰老过程也得到抑制。这也暗示了激素与糖分在信号通路之间很可能存在密切联系。

3）转化酶基因表达受环境胁迫影响

在遭受外界环 境刺激时，植物由于缺乏移动能力而不断进化形成了针对各 种胁迫条件的响应机制，同时激活自身的防御反应。转化酶作为糖代谢及生长发育中的重要酶之一，也受到各种环境胁迫的调节。

4）转化酶受其内源性抑制因子调控

近年来一类抑制转化酶活性的小分子蛋白质在各种植物中被陆续发 现，比如烟草、拟南芥和番茄等。通过体外重组蛋白的分析，发现该抑制因子的分子量一般在 15～23 kD 之 间，定位于细胞壁或液泡中，只有在酸性 pH 时才能与蔗糖转 化酶形成稳固的复合体，在翻译后水平上抑制转化酶的活性。 进一步研究揭示了转化酶抑制因子在植物体内的作用。在马铃薯体内过表达一个烟草 VIN 抑制因 子基因 NtInvInh2，发现 VIN 酶活性下降，己糖积累和贮藏时块茎冷诱导变甜过程都受到阻碍。另有研究发现，番茄中 1 个 CWIN 的抑制因子基因 INVINH1 与 1 个 CWIN 基因 Lin5 在果实韧皮部薄壁组织处共表达，进一步试验证明，两者编码的蛋白在此处也发生相互作用；在番茄中沉默 INVINH1 后，CWIN 酶活性明显上升，种子重量和果实己糖含量 得到增加，叶片衰老得到延缓。

主要参考资料

[1] 高等植物中转化酶的研究进展

[2] 转化酶家族基因进化、表达及对草莓果实糖分积累的影响

[3] 高等植物转化酶功能的研究进展