高等植物中蔗糖轉化酶的研究進展

摘要蔗糖是高等植物光合作用的主要產物之一，也是糖類在植物中運輸的主要方式，在植物的生長發育過程中起重要的作用。蔗糖轉化酶（Sucrose invertase，INV）可以不可逆地催化蔗糖水解成葡萄糖和果糖，對于蔗糖的利用和運輸起重要的作用。很多研究表明，在植物組織中存在多種形式的蔗糖轉化酶的同工酶。蔗糖轉化酶基因在環境壓力和進化過程中不斷進化，最終形成人們現在看到的蔗糖轉化酶基因家族。蔗糖轉化酶的調控主要體現在mRNA水平的調控和抑制蛋白在翻譯后的調控2個方面。抑制蛋白在翻譯后的調控中有一類小20 kD的蔗糖轉化酶抑制蛋白（Sucrose invertase inhibitor，INVINH），可以通過抑制蔗糖轉化酶活性，起到調節植物生理活動的作用。

關鍵詞蔗糖； 轉化酶；基因進化；mRNA調控；轉化酶抑制蛋白

中圖分類號S188+.4文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）24-08108-04

Research Progress of Sucrose Invertase in Higher Plants

WANG Lianjun（Shanghai Chenshan Plant Science Research Center， Chinese Academy of Sciences， Chenshan Botanical Garden， Shanghai 201602）

Abstract Sucrose is the main product of photosynthesis of higher plants， one of the main modes of transport in plants are sugar， which plays an important role in the process of plant growth and development. Sucrose Invertase （Sucrose invertase， INV） could not reversible catalytic sucrose hydrolysis to glucose and fructose， which plays an important role for the use of sucrose and transportation. Many studies suggest that there are many kinds of sucrose invertase isoenzyme in the plant tissue. Invertase genes are evolving in the process of environmental stress and evolution， eventually forming the sucrose invertase gene families what we see now. Regulation of sucrose invertase mainly includes two aspects： the mRNA level of regulation and inhibiting protein regulation after translation. In the translated regulation of inhibitor protein， there is a certain type of small 20 kD sucrose invertase inhibiting protein （Sucrose invertase inhibitor， INVINH） can inhibit the activity of sucrose invertase， rising to adjust the action of plant physiological activities.

Key words Sugar； Invertase； Genetic evolution； mRNA regulation； Invertase inhibitor

光合作用是高等植物的重要特征之一。在大多數植物中，碳水化合物在具有光合作用的源葉中合成，然后主要以蔗糖的形式運輸到花、根、果實、種子等庫器官中貯存，或作為碳源和能源為植物所利用。而在蔗糖轉運過程中，蔗糖等同化物從源到庫，經歷源端韌皮部裝載-篩管運輸-庫端韌皮部卸載。韌皮部的加載和卸載通常包括質外體和共質體2種策略，貯藏根或莖等庫器官主要以質外體途徑卸載，而蔗糖轉化酶是蔗糖質外體途徑卸載的關鍵酶（圖1）[1]。

注：MC.葉肉細胞，XY.木質部，SE.篩管，CC.伴胞，PD.胞間連絲，ULD.卸載區域，SC.庫細胞，VAC.液泡。

圖1蔗糖通過質外體途徑從源向庫器官運輸 在不同的組織或亞細胞區域，利用蔗糖的途徑不同：①合成初級產物，促進植物生長、發育；②轉變為次級產物，供植物抵抗昆蟲或其他不良環境；③參與糖降解和三羧酸循環；④形成多聚物如淀粉等，便于長期貯存。蔗糖的利用首先是將蔗糖裂解為己糖。該過程受2類不同酶的催化[2]：一類為蔗糖合酶，主要位于細胞質中，在鳥苷二磷酸（UDP）存在下，可逆地將蔗糖分解為鳥苷二磷酸葡萄糖（UDPG）和果糖[3]，該酶在種子的淀粉和纖維素的合成中起重要作用[4]；另一類為蔗糖轉化酶，它將蔗糖分解為果糖和葡萄糖。

早在1980年，Berthelot 報道了人們從酒精發酵中提取出幫助“甘蔗糖分分解的物質”，因其產生了1∶1的右旋葡萄糖和左旋果糖，即“invert sugar”（反轉糖混合物），因此被命名為“invertase”（蔗糖轉化酶）[5]。20世紀初，Kastle等[6]在土豆中分離了第1個植物蔗糖轉化酶[6]。之后有關微生物、動物及植物的各類研究都發現了多種形式的蔗糖轉化酶的存在。自從1990年Sturm等[7]發表他們從胡蘿卜中成功克隆出第一個高等植物的蔗糖轉化酶以來[7]，人們已經從許多植物和組織中克隆了蔗糖轉化酶基因，并對其基因結構、生化特性、生理功能及生物學調控進行了廣泛且深入的研究。筆者主要總結近年來高等植物中蔗糖轉化酶的研究進展，并且初步探討了該領域今后的發展方向。

1蔗糖轉化酶的分類及其功能特性

按亞細胞定位，蔗糖轉化酶可分為細胞壁蔗糖轉化酶、液泡蔗糖轉化酶和細胞質蔗糖轉化酶（圖2）[8]；按最適pH劃分，可分為酸性轉化酶和中性轉化酶。細胞壁蔗糖轉化酶、液泡蔗糖轉化酶歸為酸性轉化酶，而細胞質蔗糖轉化酶歸為中性轉化酶[9]。酸性轉化酶的最適pH為3.0～5.0，因為它可以分解蔗糖和其他β果糖類寡糖，又被稱為β呋喃果糖苷酶。酸性轉化酶又分為可溶性的液泡蔗糖轉化酶和不溶性的細胞壁蔗糖轉化酶2種形式。兩類轉化酶不僅可以催化蔗糖的裂解，而且可以催化其他果糖糖苷如蘇糖、棉子糖等。研究表明，這2種形態的轉化酶是由兩類完全不同的基因家族編碼的。不同形式的轉化酶在植物不同發育階段和不同組織中的作用也不同。

注：SUC.蔗糖；Glc.葡萄糖；Fru.果糖；InvCW.細胞壁蔗糖轉化酶；InvN.中性蔗糖轉化酶；InvV.液泡蔗糖轉化酶；ST.蔗糖轉運蛋白； HT.己糖轉運蛋白。

圖2三類蔗糖轉換酶的亞細胞分布及韌皮部卸載通路1.1細胞壁蔗糖轉化酶細胞壁蔗糖轉化酶又稱細胞外蔗糖轉化酶或胞質外蔗糖轉化酶，最適pH較低（3.5～5.5）。通常，這類蔗糖轉化酶在庫組織的胞質外分解蔗糖，其產物通過己糖轉運蛋白運輸到庫組織中。這種質外運輸途徑通常在共質體隔離的組織間存在，例如種子母體組織和正在發育的子代種子間格外明顯[10]。細胞壁蔗糖轉化酶功能比較廣泛。①調控庫器官同化物的分配及利用。例如，在庫組織中細胞壁蔗糖轉化酶將蔗糖水解為己糖，同時己糖蛋白將己糖轉運至庫組織的細胞內，從而降低庫組織外的蔗糖濃度，驅動庫器官的胞質外韌皮部卸載[11]。果實和種子是高等植物主要貯存同化物的器官。蔗糖轉化酶在果實和種子發育過程中扮演著重要的角色[12]。②延緩葉片衰老。研究者用衰老誘導基因的啟動子SAG12連異戊烯基轉移酶的基因在煙草中過量表達可以得到抗衰老植株[13]，其位于植株基部的葉片衰老被延緩，衰老延緩的葉片中細胞壁蔗糖轉化酶的活性大大增加[14]。③在抗病、抗逆及植株-共生菌體系中的作用。在被煙草花葉病毒浸染的煙草葉片的早期防御過程中，細胞壁蔗糖轉化酶被快速地誘導[15]。類似的情況也在大麥葉片及其他植物的防御反應中被發現[16]。

1.2液泡蔗糖轉化酶液泡蔗糖轉化酶又稱為可溶性酸性蔗糖轉化酶，最適pH在4.5附近，具有中性的等電點。可溶性酸性轉化酶主要存在于液泡中，在調控己糖和蔗糖水平的過程中發揮作用，并且與果實發育、成熟以及糖的積累相關。這種轉化酶把液泡中的蔗糖分解成葡萄糖和果糖2個滲透分子，從而增加細胞的滲透壓，促進細胞的膨大和組織生長[17]。液泡蔗糖轉化酶在果實己糖的積累過程中扮演著重要的角色。越來越多的證據表明，液泡蔗糖轉化酶在庫組織的伸長中起重要作用。例如，在番茄中抑制液泡蔗糖轉化酶的表達不僅導致果實的大小與對照植株相比減少約30%，而且在成熟的果實中蔗糖大量積累，在一些轉基因植株中蔗糖的含量達到80%（一般在番茄中蔗糖含量占可溶性糖的10%～20%），如此高濃度的蔗糖積累幾乎與野生型番茄中蔗糖的含量相當[18]。在葡萄糖的漿果中，液泡蔗糖轉化酶的活性在開花后第56天達到最高并持續下去，己糖從開花后第56天開始積累。這就暗示葡萄的漿果中己糖的積累與液泡蔗糖轉化酶的活性相關[19]，在土豆塊根和扁豆果夾伸長過程中液泡蔗糖轉化酶的活性都很高[20]，而且在玉米根快速伸長的區域液泡蔗糖轉化酶的活性很高[21]。在擬南芥中，液泡蔗糖轉化酶突變后根的長度明顯縮短，尤其是伸長區細胞長度顯著縮短[22]。

1.3中性轉化酶中性蔗糖轉化酶被認為是一類最適pH為中性偏堿性（6.8～8.0）、具有中性等電點且位于胞質中的蔗糖轉化酶。通常，這類蔗糖轉化酶的活性遠遠低于酸性蔗糖轉化酶。在胞質中中性蔗糖轉化酶將蔗糖水解為己糖，通過三羧酸循環釋放能量[23]，同時參與誘導滲透壓，抑制次生生長等多種生命活動[24]，對生物體的生長發育起一定的作用。在2010年研究人員先后在擬南芥和日本蓮中發現中性蔗糖轉化酶在植株的正常生長及細胞的正常發育中發揮著重要的作用[25]。當擬南芥中2個表達量較高的中性蔗糖轉化酶（CINV1和CINV2）突變后，其酶活性降到野生型的40%，植株矮小，主根長度減少到野生型的17%。在日本蓮中，中性蔗糖轉化酶基因LJINV1突變后，突變體都呈類似的表型，同樣表現為植株矮小，根變短，同時根和葉中細胞的數目和層數均增加[26]。

1.4蔗糖轉化酶基因的進化近年來的研究表明，在很多種高等植物中都存在蔗糖轉化酶的同工酶，盡管蔗糖轉化酶基因的表達模式和調控機制十分復雜，且同一物種中不同蔗糖轉化酶的氨基酸序列差異很大，但是不同物種中同種蔗糖轉化酶的氨基酸序列有高度的保守性。

迄今為止，研究者只在藍細菌、植物中發現有中性蔗糖轉化酶的存在。有研究認為，植物中的中性蔗糖轉化酶可能起源于共生菌內的蔗糖轉化酶[23]。研究者通過對蔗糖轉化酶蛋白序列的聚類分析，發現單子葉植物水稻和雙子葉植物擬南芥的液泡蔗糖轉化酶被聚到一類，與細胞壁蔗糖轉化酶區分開來。這提示人們液泡蔗糖轉化酶和細胞壁蔗糖轉化酶的分化出現在單子葉植物和雙子葉植物的分化之前[27]。研究者通過對番茄和擬南芥中的細胞壁蔗糖轉化酶基因的序列分析，發現聚類有明顯的種屬特異性。這暗示在物種分化后，蔗糖轉化酶基因是通過基因復制和突變，進化得到不同的蔗糖轉化酶的同工酶基因[28]。總之，蔗糖轉化酶基因在環境壓力和進化過程中不斷分化，最終形成現在的蔗糖轉化酶家族。

安徽農業科學2014年2蔗糖轉化酶的調控

由于蔗糖轉化酶在植物生長發育的各個時期都起著重要作用，蔗糖轉化酶活性勢必會受到植株的精密調控，以確保其發揮正常的作用，調控主要體現在mRNA水平及翻譯后水平2個層面上。

2.1mRNA水平的調控蔗糖轉化酶在轉錄水平的調控不僅存在于不同的組織間，而且存在于同一組織的不同發育階段[27]。同一個家族不同基因對于各種調節因素會有不同的反應。葡萄糖作為蔗糖轉化酶的產物對于蔗糖轉化酶活性有反饋抑制作用[29]，那么蔗糖轉化酶的轉錄也會被葡萄糖誘導。這是一個積極的反饋調節機制[16]。例如，胡蘿卜根經細菌浸染1 h后，其細胞壁蔗糖轉化酶的mRNA水平達到最大值，之后迅速下降[7]，植物激素同樣對蔗糖轉化酶基因的轉錄水平有影響，如脫落酸（ABA）可以抑制細胞壁蔗糖轉化酶的表達，同時誘導蔗糖轉化酶抑制蛋白的表達[27]。蔗糖轉化酶的表達不僅受生物因素的調節，而且對一些非生物因素的影響做出反應[31]。當胡蘿卜主根受到機械損傷時，細胞壁蔗糖轉化酶的基因表達明顯增強，酶活性也相應升高，且基因的表達僅局限于受傷部位。這可能與植物受損后的修復有關[7]。

2.2抑制蛋白在翻譯后的調節近年來，陸續有研究者發現，在一些高等植物中存在一種小于20 kD的蔗糖轉化酶抑制蛋白。它可以在體內對蔗糖轉化酶活性產生抑制作用[32-33]。因此，闡明蔗糖轉化酶抑制蛋白在體內的作用可能為研究蔗糖轉化酶的調控及其在植物生長和發育中的作用提供新的視野[27]。1998年，研究者在煙草中克隆到蔗糖轉化酶抑制蛋白的基因，并且證明通過原核表達得到的蔗糖轉化酶抑制蛋白在體外對蔗糖轉化酶有抑制作用[34]。同時，研究表明，煙草蔗糖轉化酶抑制蛋白（NtINVINH1）在馬鈴薯中過量表達可以降低蔗糖轉化酶活性，并且可以減少由冷凍引起的馬鈴薯變甜[32]。隨后，研究者在玉米中克隆到蔗糖轉化酶抑制蛋白（ZmINVINH1），在胚乳發育早期有特意表達，可能對胚乳的早期發育有影響[35]。在2009年研究者在番茄中證明了細胞壁蔗糖轉化酶抑制因子通過抑制蔗糖轉化酶的活性，影響番茄的生長發育[36]。在2013年，研究者在土豆塊莖中證明了蔗糖轉化酶抑制因子影響蔗糖轉化酶的活性，影響土豆塊莖在低溫下變甜[37]。

抑制蛋白為酸性（細胞壁和液泡）蔗糖轉化酶所需，也許與酸性蔗糖轉化酶因糖基化修飾而比較穩定，其活躍程度在很大程度上依賴于翻譯后的調控[8]。這也可能是植物在進化中演變出的一種針對酸性蔗糖轉化酶的快速、有效的調控手段。目前，中性堿性蔗糖轉化酶的蛋白結構并沒有被成功地解析，而胞質定位的蔗糖轉化酶抑制蛋白是否真的不存在也仍然是未知數。蔗糖轉化酶作為植物碳代謝重要酶類，它們的多層次調控、作用機理都將是今后研究的重要方向。

3蔗糖轉化酶與糖信號

高等植物體內的糖水平從植物萌發、開花到衰老的整個生長發育過程中都被精密的調控[38]。以往認為，糖對植物的生長、發育、脅迫和基因的表達調節是糖代謝的結果。然而，已有研究表明，糖很可能是一種重要的信號分子。研究者將葡萄糖和其他己糖用電穿孔法導入玉米原生質體中，發現葡萄糖的積累可以直接導致光合基因的表達下調，而G6P、F6P和糖酵解的中間代謝產物則不能[39]。這顯示在玉米葉肉細胞內己糖感知的過程中己糖或糖激酶扮演著重要的作用。蔗糖轉化酶將蔗糖水解為己糖是不可逆的，那么蔗糖轉化酶在己糖信號途徑中一定起著不可或缺的作用。而且，有研究表明，由于蔗糖轉化酶的缺失而造成的植物發育的缺陷并不完全能夠通過外源加入的己糖來彌補[40]。這也暗示著蔗糖轉化酶可能直接參與糖分子的信號傳輸途徑。

4蔗糖轉化酶在作物改良方面的作用

糖在植物中不僅作為能源物質，而且是重要的信號分子，同時糖的積累和代謝與作物的產量和品質密切相關。越來越多的研究證明，植物體內蔗糖轉化酶能對碳水化合物的代謝和分配進行調控，進而改變植物的發育模式，提高稻谷、蔬菜、瓜果等糧食作物和園藝作物的產量和品質。

在果實中，作物在發育的不同時期都伴隨著不同的蔗糖轉化酶的調節。葡萄中液泡蔗糖轉化酶活性從開花起增加，開花后56 d達到最大值，此后直至成熟一直保持穩定的水平[13]。另外，網狀紋甜瓜中的中性蔗糖轉化酶活性在未成熟組織中較高，隨著果實發育，其下降的趨勢與酸性蔗糖轉化酶一致，因此研究者認為甜瓜果實的蔗糖代謝中中性蔗糖轉化酶的功能可能與其他貯藏型物種的組織不同[41]。蔗糖轉化酶活性的異常改變會影響作物性狀的改變。在馬鈴薯中過量表達細胞壁蔗糖轉化酶抑制蛋白，可以減少馬鈴薯冷凍儲藏后變甜褐化的現象[32，42]。在2009年，研究者在番茄中采用RNi技術來降低蔗糖轉化酶抑制蛋白基因的表達可以提高細胞壁蔗糖轉化酶的活性，從而引起轉基因植物呈現種子變大、果實中己糖含量上升的現象[36]。

5展望

蔗糖轉化酶是蔗糖代謝的關鍵酶，參與蔗糖的分解，在植物體內具有重要的生理作用。在多種植物中蔗糖轉化酶基因的克隆、基因及其蛋白的結構以及基因表達調控的研究都有了最新進展[37]，但仍存在著一些根本問題尚未解決，例如不同類型的蔗糖轉化酶具體如何相互協作，在植物的生長過程中發揮作用；中性轉化酶的具體作用如何；糖信號如何傳遞，如何調節植物蔗糖轉化酶的表達；特別對于蔗糖轉化酶抑制蛋白，其研究還較少，它對植物蔗糖轉化酶具體作用的途徑如何，其本身又受到哪些調節因素的調節，都尚待進一步的研究。

盡管對蔗糖轉化酶的研究已有百年歷史，但是仍然存在許多問題值得深入研究。現代分子生物學技術的發展為更好地解釋不同種類的蔗糖轉化酶在植物體內的重要生理功能提供廣闊的空間。可以預見，在不久的將來，在這個重要的研究領域會有更激動人心的發現。同樣，蔗糖轉化酶也將會在作物改良和農業生產中發揮越來越重要的作用。

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