轉化酶研究進展

1、轉化酶研究進展摘要轉化酶是生物體內糖代謝的關鍵酶,綜述了轉化酶多態(tài)性及其活性表達調控、轉化酶基因等方面的研究;用分子生物學手段研究了轉化酶基因對植物糖分積累的直接作用;研究了逆境下轉化酶多態(tài)性表達及生理調節(jié)、調控。關鍵詞轉化酶;多態(tài)性;糖代謝;基因;活性中圖分類號r392.12文獻標識碼a文章編號1007-5739(2022)23-0016-03researhadvanenplantinvertasegayun(pingliangedialllege,pinglianggansu744000)abstratinvertaseplaysaniprtantrleduringthesugaretab

2、lisinhigherplant.thevarieties,distributin,invertaseexpressin,geneexpressinftheinvertaseinhigherplantereintrduedinthispaper.theresearhnthediretfuntinabutinvertasegenetplantsugarauulatinbyleulebilgyeansandtheresearhninvertaseexpressin,physilgialregulatinunderadversitystresseresuarized.keyrdsinvertase;

3、plyrphis;sugaretablis;gene;ativity轉化酶(invertase),又稱蔗糖酶或-d-呋喃果糖苷酶,是生物體內糖代謝的關鍵酶,在蔗糖代謝中催化如下反響:蔗糖+h2果糖+葡萄糖。由于糖代謝是生物體內物質代謝的中心,蔗糖是高等植物光合作用的主要產物,是碳運輸、“庫代謝、糖積累、果實品質形成中的重要因子,還是細胞代謝的調節(jié)因子,可能通過影響基因表達發(fā)揮作用。因此,與蔗糖代謝和積累親密相關的轉化酶是近年來生理生化、生理生態(tài)及分子生物學研究的熱點之一。1轉化酶的多態(tài)性及在蔗糖代謝中的作用轉化酶是高度多態(tài)的,包括酸性轉化酶(aidinvertase,ai)、中性轉化酶(neu

4、tralinvertase,ni)和堿性轉化酶。許多報道將中性轉化酶和堿性轉化酶看作同一種轉化酶。酸性轉化酶主要存在于液泡或束縛于細胞壁上,其最適ph值在3.05.0;中性和堿性酶位于細胞質中,最適ph值在7.0左右。報道的轉化酶的分子量大小為5080kd,為單體或二聚體。生殖器官中均有液泡轉化酶表達。栽培番茄、野生番茄及轉基因番茄研究說明,在果實成熟后期,液泡轉化酶的表達與否決定著果實可溶性糖的組分1。原位雜交研究說明,胞壁轉化酶可能存在于維管束系統(tǒng)2。轉化酶的組織及亞組織定位研究說明,高活性的胞壁轉化酶與組織的迅速生長有關,而高活性的液泡轉化酶活性常與果實的發(fā)育或貯藏器官的迅速膨大有關3,

5、在幼苗、幼葉、幼根、幼果中都發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。快速生長的組織總是有高程度的ai活性,而ni的活性比ai的活性低很多。在甜瓜中,ai活性的增強為組織的快速生長提供作為碳源的己糖4,網紋甜瓜果實轉化酶通過水解蔗糖成為葡萄糖和果糖,以保持細胞的浸透壓。轉化酶與果實發(fā)育、成熟和糖的積累相關。隨著果實成熟和蔗糖的積累,ai活性降低。這一變化在網紋甜瓜5-6、甜菜等多種植物中都已發(fā)現(xiàn)。shaffer等6通過比擬甜與不甜的2種瓜類品種,得出可溶性ai(液泡中)的活性降低是蔗糖儲藏的一個首要條件。桃的蔗糖水解酶活力(不溶性ai及可溶性ai、ni)在幼果期較高,隨著果實的發(fā)育,蔗糖積累而水解酶活力下降。ni作為一種

6、胞質酶,在成熟組織中,ai程度較低,因此ni對蔗糖水解更為重要。在甘蔗、甜菜、柑橘、胡蘿卜的成熟組織中發(fā)現(xiàn)了ni調節(jié)蔗糖代謝,但在未成熟組織中尚未見到。網紋甜瓜5ni活性在未成熟組織中較高,隨著果實發(fā)育,其下降趨勢與ai一樣,ga等4認為在甜瓜果實蔗糖代謝中ni功能可能與其他蔗糖儲藏型物種組織不同。2轉化酶活性表達調控研究2.1抑制劑對轉化酶活性的調節(jié)轉化酶的活性不僅受底物和產物的調節(jié),而且受抑制劑等因素的調節(jié)。蛋白質轉化酶抑制劑及naf都可有效地抑制液泡轉化酶和胞壁轉化酶。ga3可進步燕麥莖段等植物器官的轉化酶活性,但外源ga3對番茄轉化酶基因表達無影響。許多研究認為,iaa可進步液泡轉化酶

7、活性7,但iyat等(1993年)認為外源iaa不影響轉化酶活性。gdt等(1997年)發(fā)現(xiàn),玉米素可誘導懸浮培養(yǎng)的番茄細胞中胞壁轉化酶基因lin6表達。細胞分裂素類化合物可誘導結薯期馬齡薯酸性轉化酶活性8。蛋白質轉化酶抑制劑的研究日益受到人們的重視。shier等9首先在植物中發(fā)現(xiàn)了蛋白質轉化酶抑制劑的存在,并由pressey10后來的研究加以確認。幾十年來,從最初在馬齡薯塊莖中發(fā)現(xiàn)了蛋白質轉化酶抑制劑,相繼在其他蔬菜儲藏組織中,如甜菜、紅薯等中發(fā)現(xiàn)了它的存在,甚至玉米胚乳中也可以檢測到,說明這種抑制劑在種子生長期已與轉化酶相伴而生。近期,已克隆出植物轉化酶抑制劑的dnas。2.2轉化酶表達與

8、植物防御系統(tǒng)有關植物的防御系統(tǒng)對轉化酶表達有一定的調控作用。正常條件下,成齡葉中轉化酶基因表達程度低,難以檢測,而當病菌侵染或有傷害刺激時,其轉化酶基因大量表達2。各種病菌的侵染都可誘導轉化酶的活性,如shles等(1994年)發(fā)現(xiàn),白粉病菌侵染后8d的大麥葉片中,酸性轉化酶活性進步了3倍。病菌侵染后期還可能產生新的可溶性轉化酶同工酶。但是,植物受到傷害刺激時,并非所有的轉化酶基因都能表達。gdt等(1997年)發(fā)現(xiàn),受傷的番茄葉中5種轉化酶基因僅有l(wèi)in6表達。在受傷的庫組織中,胞壁轉化酶表達活性的現(xiàn)象在胡蘿卜等植物上也有報道。2.3環(huán)境脅迫下轉化酶多態(tài)性表達及其生理調節(jié)討論轉化酶在高溫、低

9、溫、干旱、鹽分等逆境脅迫下的表達及生理調節(jié),對深化提醒轉化酶的生理功能,蔬菜抗逆栽培的理論與理論及生理育種,以及蔬菜等植物逆境生理生態(tài)的研究均有重要意義。從某種意義上來說,環(huán)境脅迫下轉化酶的表達也受植物防御系統(tǒng)的調控。低氧脅迫可迅速抑制玉米轉化酶的活性11,水分脅迫下鷹嘴豆根中堿性轉化酶活性增加,并受ga3和iaa的正向調節(jié)12。柴麗娜等13研究幾種冬小麥幼苗轉化酶活性與抗旱性關系,發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下,抗旱性強的小麥品種,可溶性低聚糖含量增加與脅迫時間呈正相關。轉化酶這一特性,可作為鑒定小麥品種抗旱性強弱的指標之一。程智慧等14以番茄六葉期幼苗為試材,研究不同梯度的水分脅迫對葉片轉化酶種類和活性表

10、達及糖代謝的影響。結果說明,可溶性酸性轉化酶和胞壁轉化酶活性隨著水分脅迫強度的加大而增強,己糖和蔗糖程度進步。持續(xù)強水分脅迫使轉化酶和可溶性糖程度顯著增加,而淀粉含量降低。有研究討論了水稻灌漿期水分脅迫對糖代謝及相關酶活性的影響15,結果說明:水分脅迫縮短了灌漿時間,但促進了灌漿速度并利于淀粉在籽粒中積累;轉化酶活性增強不大,與淀粉積累速率無明顯相關性。黃豆結莢初期水分脅迫對葉片和豆莢中碳水化合物積累的影響研究16結果說明,干旱降低了葉片中蔗糖和淀粉的累積量,同時增加了己糖的累積量,但并不影響葉片中可溶性轉化酶的活性,卻在干旱處理510d以后,降低了豆莢中可溶性轉化酶活性。sussi等17發(fā)現(xiàn)

11、,在鹽分脅迫下的2個鷹嘴品種中的一個因堿性轉化酶活性增加而維持代謝。另有研究發(fā)現(xiàn)18,高濃度鹽脅迫降低番茄果實生長率并使成熟果實減重達44%,而中濃度鹽脅迫影響不大;相應的胞質中中性轉化酶活性增強,酸性轉化酶活性變化更大,相似的試驗研究說明19,鹽分脅迫下番茄葉片中蔗糖的累積量高,相應的酸性轉化酶活性低,這種情況下,葉片中蔗糖的高積累及幼果中淀粉的快速合成是成熟果實中高糖累積的重要原因。adele等用不同梯度的nal處理kikuyu草(pennisetulandestinuhhst)20,鹽脅迫15d后,在150l/l和200l/lnal梯度處理下的葉片中轉化酶活性明顯增強而根中轉化酶活性降低

12、,說明高鹽環(huán)境中,己糖積累量顯著,這些結果為此草在高鹽環(huán)境中的栽培利用提供了理論根據(jù)。shin等在對百合球莖進展冷處理后發(fā)現(xiàn)轉化酶活性下降21。青花菜采收后貯藏在20下,其酸性轉化酶活性增強,高濕和氣調貯藏下,酸性轉化酶活性降低22;這些試驗結果證明酸性轉化酶是導致植物中蔗糖含量下降的主要因子,其活性表達會使采后的青花菜耐貯性降低。3轉化酶基因方面的研究stur等(1990年)從高等植物中找出了第1個轉化酶基因(胡蘿卜胞壁轉化酶基因),最近又從胡蘿卜中克隆了一個中性轉化酶的dna。人們已從大量植物中鑒定和克隆了轉化酶基因和dna,并發(fā)現(xiàn)許多區(qū)域專化的轉化酶有2個或更多的基因編碼,保證了酶活性的

13、時空穩(wěn)定性。但克隆的基因中,僅有1個是編碼胞壁轉化酶的。番茄上,已克隆出細胞壁轉化酶基因lin5、lin6、lin7、lin8和液泡轉化酶基因tiv1,在番茄野生種(蔗糖積累性)l.hieleskii中,tiv1基因嚴密固定于3號染色體的sur座上,控制其蔗糖積累。sat等23從番茄中克隆了編碼細胞壁ai的一條dna,有2363個堿基對,其中包含了編碼636個氨基酸的長為1908個堿基對的開放閱讀框,rna印跡分析說明ai的rna長約2.5kb?？寺〉降木幋a玉米細胞壁轉化酶的基因家族的in3和in4等2個成員,前者包含6個外顯子和5個內含子,后者包含5個外顯子和4個內含子24。in4蛋白序列的

14、等電點研究說明該基因編碼唯一的游離在質外體的轉化酶。rt-pr和原位rt-pr雜交結果說明in3基因表達有器官和組織特異性,并且該基因隨發(fā)育進程自我調控表達。于喜艷等25的研究是根據(jù)酸性轉化酶的保守序列設計引物,采用rt-pr方法,從番茄果實總rna擴增出目的dna片斷,克隆到pd18-t載體中。在所測的1038個核苷酸中,與genbank中登記號為81081的番茄果實酸性基因同源性為99%。jiang等根據(jù)抑制消減雜交方法別離到水稻葉片中高表達的蔗糖轉化酶基因片斷26,根據(jù)水稻基因組順序設計引物別離到全長dna,測序說明其長度為1937bp,推測其編碼1個含627個氨基酸的中性/堿性蔗糖轉化

15、酶。alignent分析顯示此蛋白質與的多個蔗糖轉化酶具有很高的同源性。1990年,shaeen等首次將酵母轉化酶基因su2正義拷貝導入煙草和擬南芥,獲得轉基因植株27。胡蘿卜表達細胞壁轉化酶反義dna植株與對照比,葉片多且蔗糖和淀粉含量高,主根小且碳水化合物程度低28。反義轉化酶基因的表達抑制了轉化酶活性,引起番茄果實中蔗糖的積累29。在番茄t0代中,轉反義基因果實有較高比例的蔗糖,進一步研究說明,在t1代中,局部轉基因果實中蔗糖積累較多,而另一些轉基因植株盡管反義基因拷貝數(shù)是t0代的2倍,果實中的蔗糖比例反而下降,推測與基因沉默有關。許多研究者認為,l.hieleskii的轉化酶基因的轉錄

16、沉默,是l.esulentu和l.hieleskii雜交子代番茄蔗糖積累的根底30。4結論高等植物的蔗糖代謝是一個復雜的過程,其關鍵轉化酶在植株體內分布及在蔗糖積累過程中的變化動態(tài)已有研究,用分子生物學手段研究有關轉化酶的基因對果實糖分積累的直接作用是一個研究方向,另外對環(huán)境脅迫與轉化酶調節(jié)的研究提供了好的根底,但涉及的逆境領域及積累資料還非常有限。由于植物和農作物的生長周期大多處于逆境生態(tài)下,因此研究各種逆境下轉化酶的多態(tài)性表達及生理調節(jié)、調控仍具有重要的現(xiàn)實意義。5參考文獻1klanne,hallb,nennettab.antisenseaidinvertase(tiv1)genealte

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