高等植物ACC合成酶基因研究進展

摘 要：主要對高等植物ACC合成酶基因克隆及表達調控等方面進行綜述，并對其應用前景進行了展望。

關鍵詞：乙烯；ACC合成酶；基因克隆；表達調控

中圖分類號：Ｑ７８ 文獻標識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006－6500.2013.02.00７

Review on Researching Advance in ACC Synthase Genes in Higher Plants

LIU Li

（Liaoning Ｋey Ｌab of Plant Biotechnology，School of Life Science，Liaoning Normal University， Dalian， Liaoning 116082， China）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： This paper made a review mainly focus on the progress in cloning and regulation of ACC synthase genes and their use in the future.

Key words： ethylene； ACC synthase； gene cloning； gene regulation

乙烯參與調節高等植物生長發育的許多過程，如種子萌發、幼苗生長發育、葉片和花器官的衰老、果實成熟等。同時，乙烯在植物應對逆境脅迫，如機械傷害、冷害、干旱、病原菌入侵等過程中都起到了引發植物耐受或抵抗逆境的生理生化以及基因表達等方面變化的作用。

ACC合成酶（1-氨基環丙烷-1-羧酸合成酶，ACS）是乙烯生物合成過程中能催化S-腺苷甲硫氨酸（SAM）合成1-氨基環丙烷-1-羧酸（ACC）的關鍵限速酶，它在植物組織內活性往往決定著乙烯產生的速率。因而調控ACC合成酶基因的表達就能有效控制植物成熟衰老和植物對逆境脅迫耐受能力。近些年來ACC合成酶已經成為研究乙烯的重點，因此，筆者主要綜述了高等植物ACC合成酶基因的克隆及表達調控方面的研究進展，期望能為通過現代分子生物學技術調控植物成熟衰老和植物抗逆脅迫提供一些有價值的信息。

1 ACC合成酶基因克隆的研究進展

人們最早是在番茄的果皮組織中發現的ACC合成酶的[1]，但最先從夏南瓜中分離得到編碼ACC合成酶的基因[2]，而Straeten等[3]從番茄果實cDNA文庫中分離到第一個ACC合成酶基因序列。隨著科學研究的不斷發展，目前已經從許多植物中都克隆到了ACC合成酶基因，如水稻[4]、辣椒[5]、獼猴桃[6]、小麥[7]、小西葫蘆[8]、桃[9]、菠蘿[10]、鱷梨[11]、柿[12]、薄皮甜瓜[13]、李[14]、蘋果[15]、牽牛花[16]等。在克隆的過程中發現幾乎每種植物中的ACC合成酶基因都不止一個，迄今為止在研究中發現番茄中至少有9個[17]，綠豆中有6個，水稻和土豆中有5個，李中有4個[10]，而西葫蘆、筍瓜和小麥中有2個，這表明ACC合成酶基因是多基因家族編碼。比較已發表的ACS基因核苷酸序列，發現所有已知高等植物的ACS多基因家族區內的DNA序列都有大約60%的同源性，一般含有2、3或4個內含子，mRNA的分子量在1.8～2.1 kb左右，蛋白的同源性在50%～95%[18]，其中，蛋白序列中部的同源性最高，而C端的差異最大[19]。

2 ACC合成酶基因的表達研究進展

2.1 ACC合成酶基因表達的誘導因子

研究表明，植物組織中的ACS含量很低且極不穩定，但是ACS基因在各種植物激素、環境脅迫等誘導因子的誘導下可進行大量表達，而且有些基因還受植物生長發育不同階段的誘導表達。已報道的能夠誘導ACS基因的植物激素主要有生長素、乙烯、細胞分裂素、赤霉素和脫落酸等[ 18]，不同的植物激素或同種植物激素影響各ACS基因差異表達。例如乙烯和生長素都能夠誘導甘蔗Sc2ACS1， Sc2ACS2， Sc2ACS3的表達上調[20-21]；乙烯可誘導增強月季RnACS1和RnACS3的表達，但后者增強的程度遠大于前者 [22]。同樣的，一些環境脅迫因子，如低氧、機械傷害、漬水、干旱、光溫、高鹽、臭氧、病害和蟲害等也均能誘導ACS基因的表達。蘋果MdACS5可以被機械損傷誘導[23]，甘蔗Sc2ACS1對冷脅迫、暗培養和Licl脅迫均有應答[20]，病原體感染、臭氧、Cu2+的毒害等脅迫刺激可誘導馬鈴薯葉片ACS4和ACS5基因的表達[24]，這些ACS基因表達可以為各類環境刺激因子所調控的實驗結果證明，乙烯確實參與了植物生長發育過程中抵抗逆境脅迫的一系列防御信號反應。在自然條件下，植物ACS基因也可受生長發育的不同階段，如開花、傳粉、果實成熟、衰老等過程的誘導表達。呼吸越變型果實類植物如番茄、梨、蘋果、香蕉等果實成熟時可檢測到ACS高效表達[18]。在番茄克隆得到的9個ACS基因中，番茄的LEACS2和LEACS4在果實成熟時被誘導大量表達，特別是LEACS2被誘導后便促進乙烯自動催化并引發呼吸高峰[25]。

2.2 ACC合成酶基因表達的特異性

同種植物中的不同ACS基因在表達時大多存在器官表達特異性差異、時空表達特異性差異、轉錄水平上的差異等。研究發現在番茄的ACS基因家族中，LEACS2主要在果實、衰老的花、病原感染的葉片和水淹的根中表達，而LEACS4只在果實中表達[24]。在研究麝香石竹ACS基因時發現，在花柱中優先表達的是ACS2和ACS3，而在花瓣中表達較多的是ACS1。植物ACS基因器官表達特異性差異表明這個基因主要在植物的生殖器官和營養器官上表達，生殖器官中花和果實均有表達，花中子房表達最強烈，而果實的中柱組織表達最強烈，營養器官中葉片和根部的表達效果最好[18]。臭氧處理過的馬鈴薯葉片在1 h可誘導ACS5基因的表達，2 h才檢測到有ACS4基因的表達；而用Cu2+處理葉片時，結果0.5 h便可檢測到ACS5基因的大量表達，2 h后才檢測到ACS4基因的表達[26]。研究表明，多數ACS基因的轉錄受到調節。番茄ACS基因家族的各成員轉錄水平存在很大差異，不同的因素或條件可誘導家族中的不同成員表達，并且表達的各成員的轉錄水平高低也存在很大差別[27]。衰老的香石竹花的雌蕊部分的ACC合成酶的活性較高，但ACS基因轉錄合成的mRNA卻保持很低的水平，這說明ACS基因的轉錄水平和ACS酶活水平的變化并不一定一致，也就是說ACS基因的轉錄水平并不能反映該酶的活性水平，表明傷害導致ACS酶活性增強是由于該酶的基因在轉錄水平上受到調節。

3 轉ACC合成酶基因表達調控的研究進展

植物學家和育種家近些年將通過調控乙烯的合成過程來獲得所需要的植物新品種作為研究的重點，而ACC合成酶更是成為研究重點中的熱點。轉基因技術是一種調控植物ACC合成酶基因表達的有效方法，通過這種方法可以得到改良的新品種。

1991年，Oeller等將ACC合成酶的cDNA反義系轉入番茄從而成功獲得成熟受阻的轉基因植株，由于轉基因植株中的乙烯生物合成過程受到ACS基因反義表達的破壞，造成這種番茄的成熟期被推遲，而外用乙烯又可以恢復其正常成熟，目前這項技術已投入到商業生產[28]，例如培養轉入反義ACS基因的番茄子葉得到的純合轉基因植株，其果實的成熟衰老會受到抑制，主要表現在：果實硬度大而不紅、無香氣，當用乙烯處理后，果實就會成熟變軟，其色澤、質地、芳香與正常果實無異，這種轉基因番茄由于具有耐貯保鮮性而具有明顯的經濟價值[29]。在其他的植物中也有利用ACS的反義基因控制果實成熟，如蘋果[30]等。將康乃馨的反義ACS基因通過農桿菌介導轉入煙草，會明顯增強轉基因煙草對非生物脅迫的耐受能力[31]，這表明ACS基因在應對逆境脅迫方面具有重要的調控作用。此外，也有正義表達，利用同源共抑制現象控制內源乙烯合成，通過共抑制轉基因的方法能使菠蘿ACC合成酶基因表達下調，推遲菠蘿花期 [32]。

隨著分子生物學的發展，越來越多植物中的ACC合成酶基因被克隆出來，而且有的已經通過轉基因技術轉入到了不同的物種中調控ACC合成酶基因的表達。但是研究較深入的基因大多是從模式植物或是從果實植物中獲得，特別是與果實成熟相關的ACS基因，但關于哪個是果實成熟的最關鍵的ACC合成酶基因卻還不是十分清楚，而且關于ACS基因在植物抗逆方面的作用的研究較少。今后，需要進一步從分子生物學水平上深入研究ACC合成酶基因的表達及其調控，為利用現代基因工程技術培養耐貯藏的果實新品種和培養抗逆作物提供理論依據。

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