第蔗糖轉(zhuǎn)化酶的研究文獻(xiàn)綜述1.1蔗糖轉(zhuǎn)化酶的分類在適宜條件下，植物能夠?qū)⒍趸嫁D(zhuǎn)化為糖類，以這種方式維持它們的生長和發(fā)育。這些糖，特別是蔗糖，在光合作用和非光合作用活性組織中被分割。蔗糖是光合作用的主要產(chǎn)物。植物中的蔗糖及其分解產(chǎn)物參與植物的代謝、生長發(fā)育、物質(zhì)運(yùn)輸和基因表達(dá)。各種途徑積極參與蔗糖的運(yùn)輸和分配，無論是在不同的亞細(xì)胞間還是在不同的植物區(qū)之間。蔗糖是碳水化合物從光合活性組織，即“源”組織（主要是成熟葉）運(yùn)輸?shù)椒枪夂稀皫臁苯M織（如根、花、果實(shí)、種子）中的主要形式，到達(dá)庫組織后，蔗糖被分解成己糖或衍生物，才能被庫細(xì)胞進(jìn)行進(jìn)一步貯存或利用[1]。在高等植物中，轉(zhuǎn)化酶是一種廣泛存在的酶，通過各種途徑積極參與蔗糖的運(yùn)輸和分配，無論是在不同的亞細(xì)胞間還是在不同的植物區(qū)之間。它催化蔗糖轉(zhuǎn)化為果糖和葡萄糖。植物蔗糖酶及其底物在植物初級代謝和細(xì)胞分化中起著積極作用，并通過這些活動(dòng)維持植物的發(fā)育和生長。轉(zhuǎn)化酶自然存在于多種亞型中，已知其具有高度分化和組織特異性，每一種亞型都是植物特定部位的特征。蔗糖合成酶的功能是催化蔗糖裂解反應(yīng)，與蔗糖轉(zhuǎn)化酶的功能相同。蔗糖合成酶（SucroseSynthase，SUS）的功能是加快蔗糖的合成過程和分解過程，且不消耗ATP，而蔗糖轉(zhuǎn)化酶（SucroseInvertase，INV）將蔗糖水解后，產(chǎn)生葡萄糖和果糖，但是卻不能逆轉(zhuǎn)這一過程。這兩種酶調(diào)節(jié)了植物的生長發(fā)育過程[2]。INV廣泛存在于生物中，根據(jù)INV亞細(xì)胞定位的不同可將其分為：細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶（Cellwallinvertase，CWINV）、液泡轉(zhuǎn)化酶（Vacuolarinvertase，VINV）和細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)化酶（Cytoplasmicinvertase，CINV）。另一種分類是根據(jù)最適pH值，可將其分為：酸性蔗糖轉(zhuǎn)化酶、中性蔗糖轉(zhuǎn)化酶和堿性蔗糖轉(zhuǎn)化酶。CWINV和VINV都屬于第一種，酶學(xué)特性有極大的相似性，當(dāng)其水解時(shí)，會(huì)產(chǎn)生蔗糖和β-果糖類寡糖；而CINV則屬于后兩種[3]。堿性/中性轉(zhuǎn)化酶是植物正常生長、發(fā)育和抗脅迫所必需的，有研究從柑橘抗寒親緣植物枳（Poncirustrifoliata）中分離到一個(gè)A/N-INV基因（PtrA/NINV），并進(jìn)行了功能鑒定。發(fā)現(xiàn)PtrA/NINV是涉及蔗糖分解的重要基因，通過促進(jìn)滲透調(diào)節(jié)、活性氧（ROS）解毒和光合效率，在非生物脅迫耐受中發(fā)揮積極作用[4]。同時(shí)，根據(jù)溶解度進(jìn)行劃分，可將其分為可溶性和不可溶性。VINV和CINV屬于可溶性蛋白，CWINV被束縛在細(xì)胞壁上，屬于不可溶性蛋白。2008年，Bocock等人通過研究毛果楊的蔗糖轉(zhuǎn)化酶基因家族，揭示了毛果楊含有24個(gè)蔗糖轉(zhuǎn)化酶基因，包括5個(gè)細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶基因（CWINV1-5）、3個(gè)液泡轉(zhuǎn)化酶基因（VINV1-3）和16個(gè)細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)化酶基因（CINV1-16），分布在14條染色體上[5]。根據(jù)根、莖、葉的RNA-seq數(shù)據(jù)，CWINV1和CWINV2在葉中高表達(dá)，在莖中低表達(dá)，在根中幾乎不表達(dá)。CWINV3基因在葉和莖中高表達(dá)。CWINV4和CWINV5基因在根、莖、葉中的表達(dá)較低。不同的轉(zhuǎn)化酶的基因根據(jù)組織和發(fā)育時(shí)期而特異性表達(dá)，同時(shí)與植物的各種生理功能相關(guān)[6]。1.2蔗糖轉(zhuǎn)化酶的結(jié)構(gòu)有研究表明，高等植物蔗糖轉(zhuǎn)化酶的INV是由多基因家族編碼的蛋白，在同一植物中的不同INV，氨基酸序列較為不同，而不同植物中的同種INV則與之相反。2002年，通過劉慧英等人的研究可知，通常長度為2000-2500bp的基因INV，編碼的蛋白質(zhì)由500個(gè)數(shù)量左右的氨基酸組成。對該轉(zhuǎn)化酶家族的氨基酸序列進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)共同特征，即靠近N端的五肽NDPNG，以及高度保守的靠近C端的WECXDF序列。此外，液泡轉(zhuǎn)化酶還包含一個(gè)短的疏水C端序列，可能參與液泡靶向。據(jù)報(bào)道，這些酶被合成為前酶，攜帶最可能由一個(gè)信號(hào)肽和一個(gè)前肽組成的N端序列。N端序列的功能尚不清楚，可能在蛋白質(zhì)折疊、靶向和調(diào)控中發(fā)揮作用[7]。研究發(fā)現(xiàn)，CWINV與VINV存在不同，區(qū)分兩者的方法是，VINV具有一個(gè)特有的疏水C端（羧基端）延伸區(qū)，而這個(gè)特有的結(jié)構(gòu)是CWINV中不存在的。這個(gè)區(qū)別的產(chǎn)生可能與VINV在液泡中的定位有關(guān)[8]。2013年，俞錁等人通過pH實(shí)驗(yàn)觀察蔗糖轉(zhuǎn)化酶的結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，VINV的氨基端有糖基化現(xiàn)象，而CINV的氨基端則無。糖基化修飾在CWINV和VINV跨膜運(yùn)輸過程中發(fā)揮重要作用。CWINV與VINV的區(qū)別還在于兩者的半胱氨酸催化結(jié)構(gòu)域不同，脯氨酸殘基（Pro）是前者的位點(diǎn)，纈氨酸殘基（Val）是后者的位點(diǎn)[9]。1.3蔗糖轉(zhuǎn)化酶的功能蔗糖轉(zhuǎn)化酶可以將蔗糖水解為己糖，這個(gè)過程的不可逆性，表明了該酶在糖分子信號(hào)途徑中的重要性，表明蔗糖轉(zhuǎn)化酶是己糖信號(hào)途徑中的關(guān)鍵酶。蔗糖及其裂解產(chǎn)物葡萄糖和果糖是高等植物碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝和傳感的中心分子。植物具有三種類型的轉(zhuǎn)化酶，分別位于外質(zhì)體、細(xì)胞質(zhì)和液泡中。細(xì)胞外和液泡內(nèi)轉(zhuǎn)化酶同工酶是植物生命周期和對環(huán)境刺激反應(yīng)的各個(gè)方面的關(guān)鍵代謝酶，蔗糖酶可以單獨(dú)或與植物激素結(jié)合調(diào)控植物生長發(fā)育的許多方面，從基因表達(dá)到遠(yuǎn)距離營養(yǎng)分配，參與調(diào)節(jié)碳水化合物分配、發(fā)育過程、激素反應(yīng)以及生物與非生物的相互作用。Jang等人通過研究對糖具有敏感性的擬南芥植物，發(fā)現(xiàn)蔗糖轉(zhuǎn)化酶缺少會(huì)導(dǎo)致植物的發(fā)育受到阻礙，但是在通過從外界中向植物加入蔗糖類物質(zhì)這一方法，并不能使植物在受到阻礙后造成的缺陷得到彌補(bǔ)和改善，這種作用是不可逆轉(zhuǎn)的[10]。CINV在植物生長發(fā)育方面具有一定作用。此前，Barratt等人通過研究發(fā)現(xiàn)，缺乏CINV1和CINV2的擬南芥雙突變體表現(xiàn)出顯著的生長下降。與野生型相比，突變體中CINV的活性只有其原來的60%，從而阻礙了擬南芥的根系生長。生化和成像數(shù)據(jù)表明，cinv1cinv2幼苗缺乏UDP-葡萄糖的生產(chǎn)，表現(xiàn)出異常的纖維素生物合成和微管特性，并改變了纖維素組織，而基質(zhì)多糖組成沒有實(shí)質(zhì)性的變化，這表明CINV/UGP途徑是擬南芥中UDP-葡萄糖合成的一個(gè)關(guān)鍵代謝途徑，說明CINV活性對纖維素生物合成發(fā)揮著重要作用[11]。此外，在雜交楊樹中利用RNAi技術(shù)降低蔗糖轉(zhuǎn)化酶活性導(dǎo)致UDPG含量減少進(jìn)而也使木材纖維素含量降低。說明木材纖維素的合成與UDPG含量有關(guān)[12]。蔗糖從韌皮部運(yùn)輸?shù)綆旖M織的過程中，CWINV可以水解細(xì)胞外的蔗糖，從而維持蔗糖的濃度梯度。2019年，辛曙麗等的研究表明，CWINV促進(jìn)了番茄果實(shí)的生長以及發(fā)育但是卻阻遏了番茄種子的發(fā)育[13]。Goetz等人通過克隆煙草同工酶Nin88的編碼基因，發(fā)現(xiàn)煙草中CWINV基因Nin88在其啟動(dòng)子的作用下，發(fā)生組織特異性翻譯抑制，導(dǎo)致花粉早期發(fā)育受阻，從而使花粉雄性不育，證明煙草同工酶Nin88的編碼基因具有特定的時(shí)空表達(dá)模式。研究發(fā)現(xiàn)CWINV基因在植物花粉發(fā)育過程中具有重要作用，并有力地支持細(xì)胞外蔗糖裂解為通過外質(zhì)體向組織提供碳水化合物的必要功能，花粉形成過程中對韌皮部卸荷、糖狀態(tài)和代謝信號(hào)的特異性干擾將是一種潛在的有價(jià)值的方法來誘導(dǎo)各種作物的雄性不育，用于雜交種子生產(chǎn)[14]。VINV包含一個(gè)短的疏水C端序列，可能參與液泡靶向。VINV在液泡中催化蔗糖水解為己糖，VINV活性與許多器官中己糖的積累有關(guān)，在很多膨大的組織中如發(fā)育中的馬鈴薯塊莖、胡蘿卜主根、玉米子房等，VINV酶的活性都較高。一般情況下，VINV可以調(diào)節(jié)細(xì)胞膨大，主要依賴于蔗糖被水解為兩個(gè)己糖分子，從而增加了滲透作用，而這一作用的增加使得更多的水分流入了細(xì)胞內(nèi)部，結(jié)果導(dǎo)致細(xì)胞膨大[15]。液泡轉(zhuǎn)化酶一直被認(rèn)為是細(xì)胞擴(kuò)張的主要因素。有研究發(fā)現(xiàn)，VIN在伸長纖維中的活性約為葉片、莖和根的4-6倍。在無纖維棉籽表皮中檢測不到，但在起始纖維中明顯，在快速伸長時(shí)保持高強(qiáng)度，在伸長減緩時(shí)下降。此外，纖維伸長快的基因型比慢的基因型具有更高的VIN活性和己糖水平。相比之下，細(xì)胞壁或細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)化酶活性與纖維伸長沒有相關(guān)性。VIN活性和纖維伸長密切相關(guān)。VIN以滲透依賴和獨(dú)立的方式調(diào)節(jié)纖維的伸長[16]。1.4細(xì)胞壁蔗糖轉(zhuǎn)化酶細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶在催化糖降解過程中發(fā)揮了及其重要的作用，在植物生長發(fā)育、同化物分配和調(diào)節(jié)庫強(qiáng)等方面具有重要作用。CWINV不溶于水，它在與細(xì)胞壁結(jié)合時(shí)，產(chǎn)生離子鍵，蔗糖通過韌皮部進(jìn)入庫細(xì)胞，可以通過質(zhì)外體途徑，也可以通過胞間連絲來進(jìn)行運(yùn)輸。CWINV將蔗糖裂解為葡萄糖和果糖，這一過程是不可逆轉(zhuǎn)的。當(dāng)蔗糖進(jìn)行水解后，通過己糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。有研究表明，玉米（Viciafaba）的MInlaturel（Mnl）基因位點(diǎn)可以編碼一種同菌酶，而蠶豆（Viciafaba）的CWINV1基因可以編碼細(xì)胞壁結(jié)合轉(zhuǎn)化酶，表達(dá)于種皮卸荷區(qū)，參與種子的生長發(fā)育。綜上所述，在玉米胚乳和蠶豆種皮都存在較強(qiáng)的CWINV活性[17,18]。有研究表明，CWINV影響胚的生長狀況，決定種子的生長發(fā)育過程以及碳水化合物的組成。CWINV通過參與蔗糖的質(zhì)外體運(yùn)輸途徑與在運(yùn)輸過程中的降解，進(jìn)而影響植物的花、種子和果實(shí)的發(fā)育。研究證明，通過RNA干擾技術(shù)（RNAi）抑制CWINV基因的表達(dá)，并生成轉(zhuǎn)基因番茄。轉(zhuǎn)化后的植株花和果實(shí)形態(tài)發(fā)生變化，花瓣和萼片數(shù)量增加，果實(shí)敗育率增加，果實(shí)大小減小，證明CWINV基因會(huì)影響番茄的正常生長發(fā)育[19]。2019年，辛曙麗等的研究表明，CWINV促進(jìn)了番茄果實(shí)的生長以及發(fā)育但是卻阻遏了番茄種子的發(fā)育[13]。當(dāng)CWINV基因突變后，其活性會(huì)降低，抑制了存在于胚乳中的細(xì)胞分裂和膨大活動(dòng)，具體表現(xiàn)是種子變小[20]。此外，甜菜、水稻、玉米等植物中也發(fā)現(xiàn)了能夠?qū)е律鲜鱿嗨频墓δ苋毕莸腃WINV基因家族成員。近期也有研究指出棉花CWINV基因與纖維素含量有關(guān)。2012年，棉花中的原位雜交實(shí)驗(yàn)表明，CWINV基因定位于棉花胚珠的纖維起始處。同時(shí)，半定量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，CWINV基因在纖維處高量表達(dá)。由此推測，CWINV基因參與棉花中纖維素的合成調(diào)控[16]。參考文獻(xiàn)[1]張懿,張大兵,劉曼.植物體內(nèi)糖分子的長距離運(yùn)輸及其分子機(jī)制[J].植物學(xué)報(bào),2015,50(1):107-121.[2]藍(lán)基賢,唐朝榮.高等植物中轉(zhuǎn)化酶生理生化特性的研究進(jìn)展[J].熱帶作物學(xué)報(bào),2012,33(9):1702-1707.[3]SturmA.Invertases:Primarystructures,functions,androlesinplantdevelopmentandsucrosepartitioning[J].PlantPhysiology,1999,121(1):1-8.[4]DahroB,FWang,PengT,etal.PtrA/NINV,analkaline/neutralinvertasegeneofPoncirustrifoliata,confersenhancedtolerancetomultipleabioticstressesbymodulatingROSlevelsandmaintainingphotosyntheticefficiency[J].BmcPlantBiology,2016,16(1):76.[5]BocockPN,MorseAM,DervinisC.EvolutionanddiversityofinvertasegenesinPopulustrichocarpa[J].Planta,2008,227(3):565-576.[6]PanQH,ZhangDP.Plantacidinvertasegeneandregulationofitsexpression[J].ChinBullBot,2005,22(2):129-137.[7]FarciD,ColluG,KirkpatrickJ,etal.RhVI1isamembrane-anchoredvacuolarinvertasehighlyexpressedinRosahybridaL.Petals[J].JournalofExperimentalBotany,2016.[8]劉慧英,朱祝軍.轉(zhuǎn)化酶在高等植物蔗糖代謝中的作用研究進(jìn)展[J].植物學(xué)通報(bào),2002,19(6):666-674.[9]俞錁,李志邈,萬紅建,葉青靜,王榮青,楊悅儉.高等植物蔗糖轉(zhuǎn)化酶功能的研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(33):12815-12818.[10]JangJC,LeónP,ZhouL,etal.Hexokinaseasasugarsensorinhigherplants[J].PantCell,1997,9(1):5-19.[11]WilliamJ.Barnes,CharlesT.Anderson.CytosolicinvertasescontributetocellulosebiosynthesisandinfluencecarbonpartitioninginseedlingsofArabidopsisthaliana[J].ThePlantJournal,2018,94:956-974.[12]UmutRende,WeiWang,etal.Cytosolicinvertasecontributestothesupplyofsubstrateforcellulosebiosynthesisindevelopingwood[J].NewPhytologist,2017,214:796-807[13]辛曙麗,郭德勝,賴涵旸,劉永華.細(xì)胞壁蔗糖轉(zhuǎn)化酶活性上調(diào)對番茄果實(shí)和種子生長發(fā)育的不同影響[J].熱帶作物學(xué)報(bào),2019,40(1):61-66.[14]GoetzM,GodtDE,GuivarchA,etal.Inductionofmalesterilityinplantsbymetabolicengineeringofthecarbohydratesupply[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2001,98(11):6522-6527.[15]RoitschT,GonzálezMC.Functionandregulationofplantinvertases:sweetsensations[J].AmericanJournalofPlantSciences,2004,9(12):606-613.[16]WangL,LiXR,LianH,etal.EvidencethathighactivityofvacuolarinvertaseisrequiredforcottonfiberandArabidopsisrootelongationthroughosmoticdependentandindependentpathways,respectively[J].PlantPhysiology,2010,154(2):744-756.[17]ChengWH,TallercioEW,ChoureyPS.TheMiniature1seedlocusofmaizeencodesacellwallinvertaserequiredfornormaldevelopmentofendospermandmaternalcellsinthepedicel[J].PlantCell,1996,8(6):971-983.[18]WeberH,BorisjukL,WobusU.ControllingseeddevelopmentandseedsizeinViciafaba:Aroleforseedcoat-associatedinvertasesandcarbohydratestate[J].ThePlantJournal,1996,10(5):823-834.[19]MaríaIZ,SoniaO,AdrianoN.RNAinterferenceofLIN5intomatoconfirmsitsroleincontrollingbrixcontent,uncoverstheinfluenceofsugarsonthelevelsoffruithormones,anddemonstratestheimportanceofsucrosecleavagefornormalfruitdevelopmentandfertility[J].PlantPhysiology,2009,150(3):1204-1218.[20]VilharB,KladnikA,BlejecA.Cytometricalevidencethatthelossofseedweightintheminiature1seedmutantofmaizeisassociatedwithreduc