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高等植物ACO基因研究进展姚雪，侯和胜（辽宁师范大学 生命科学学院 辽宁 大连 116033）摘 要：1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶（ACO）是植物乙烯生物合成途径中最后一个酶，催化1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）向乙烯转化。ACO基因是一个基因家族，对乙烯的合成具有重要的调控作用。本文从ACO生物学特性、基因结构及表达调控方面着眼，分析该领域的研究进展。关键词：乙烯；ACO基因；基因克隆；基因表达中图分类号：Q78Research Advances in ACC Oxidase Genes of Higher PlantsXue Yao, Hesheng Hou（College of Life Science, Liaoning Normal University, Dalian 116033,China）Abstract：1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid oxidase（ACO）is the last enzyme in the ethylene biosynthesis, which directly catalyses the formation of ethylene from 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid（ACC）.ACO is encoded by gene families and palys a significant role in the regulation of ethylene biosynthesis. This review focused on the progresses in cloning and expression of ACO genes and their biochemical characteristics.Keywords: ethylene; ACO gene; gene cloning; gene expression乙烯是具有复杂生物学功能的一种简单的有机分子，它影响着高等植物的生长和发育。包括促进果实成熟、花衰老、花瓣和叶片的脱落、抑制绝大多数双子叶植物茎的延长、刺激根的发生等等。同时乙烯在植物应答生物和非生物胁迫的响应中也起到重要的作用，包括病原体入侵、浸水、冷害和机械伤害等等。基金项目：国家自然基金（30671439）第一作者简介：姚雪（1987-），女，汉族，黑龙江省齐齐哈尔人，在读硕士，主要从事植物发育与分子生物学方面的研究。E-mail：通讯作者简介：侯和胜（1955-），男，汉族，辽宁省丹东人，教授，博士，主要从事植物生理生化方面研究。E-mail：hesheng_高等植物中乙烯的生物合成途径已经由Yang和Hoffman得到证实，第一步由1-氨基环丙烷-1-羧酸合成酶（ACS）催化S-腺苷甲硫氨酸（SAM）转变为ACC,接着ACC经ACO氧化形成乙烯1。在营养组织中，ACO基因是组成型表达的，因而通常认为ACS是乙烯生物合成途径中的限速酶。然而在成熟的果实和衰老的花器官中，两个酶都是受诱导表达的，共同调节乙烯的生物合成。因此，ACS和ACO基因的分离与鉴定对研究乙烯生物合成途径中的分子调控具有重要的意义。在生化和分子水平上对ACS的研究已经取得了很大的进展，然而对于离体条件下ACO的研究进展却是缓慢的。因此，本文着重介绍了高等植物ACO基因的国内外研究情况，以期为今后ACO基因的研究提供有价值的参考。1 ACO的生物学特性ACO以单体形式存在，分子量在35kD-40kD之间,最适PH在6.8-7.2之间2。序列分析表明ACO是胞浆酶，因为不含跨膜域或信号肽，然而大量的数据表明此酶是与质膜或质外体相关联的2，它的亚细胞定位仍然是争论的焦点。研究表明苹果ACO1蛋白可折叠成紧密的空间结构，由8个螺旋、12个折叠和一些松散环形结构组成，催化活性位点位于蛋白质C末端3。Hamilton和Matsuda等人根据番茄pTOM13编码的氨基酸序列推测，ACO催化模式与黄烷酮3-羟化酶类似，酶活力需要Fe2+作为辅助因子，抗坏血酸作为辅助底物。Fe2+结合基序（His-Xaa-Asp-Xaa-His）和抗坏血酸结合位点（Arg-Xaa-Ser）在ACO中是严格保守的4。除了Fe2+和抗坏血酸以外，CO2也是ACO的一个重要的辅助因子2，因此ACO催化反应的化学计量式可表述如下： Fe2+, CO2ACC+O2 +ascorbate C2H4 +HCN+CO2 +dehydroascorbate+2H2O. 22 ACO基因的克隆由于不能分离到具有原始催化活力的无细胞提取液中的ACO，对ACO的体外研究曾在一段时间内受到阻碍。但随着乙烯生物合成研究在分子水平上取得的进展，使ACO基因的克隆与鉴定成为可能。编码ACO的cDNA最初是从番茄中克隆得到的，1986年Slater和Grierson等人在番茄成熟相关的cDNA文库中筛选到了一条能够编码35KD蛋白的克隆，并将其命名为pTOM13。Smith研究发现在成熟的番茄果实和受伤的叶片中pTOM13 mRNA的出现与乙烯合成量的增加一致。1990年Hamilton等人将pTOM13反义转入番茄中，可见转基因植株的乙烯产量和ACO的活力明显下降。使pTOM13在酵母和非洲爪蟾卵母细胞中异源表达，pTOM13编码的蛋白可以将ACC转变为乙烯,这表明pTOM13编码的蛋白是乙烯形成酶（ACO）。番茄中ACO基因的克隆使其他植物物种中ACO的鉴定成为可能。目前，已经从许多植物中克隆到了编码ACO的cDNA，包括水果中的鳄梨，苹果，桃，猕猴桃；衰老的花中的康乃馨，牵牛花，兰花，天竺葵；蔬菜中的豌豆，绿豆，拟南芥，西兰花等。3 ACO基因的表达3.1 ACO基因表达的诱导因子ACO基因的表达受到许多发育、环境和激素信号的诱导。植物在自然条件下的开花、授粉、花瓣和叶片的衰老、种子的萌发以及果实成熟等都可以诱导ACO基因的表达。如，六出花属植物ACO基因（ALSACO1-1）在花发育的前期阶段几乎没有变化，但在花脱落前ALSACO1-1转录水平上升了4.5倍5。甜菜种子萌发过程中ACO基因转录水平升高6。香蕉、番茄等跃变型果成熟时ACO基因表达量随之升高。除了自身发育条件外，ACO基因还响应各种环境胁迫，Vriezen等人研究表明空气中鲁梅克斯草PR-ACO1转录水平相对较低，然而浸水后强烈的诱导了PR-ACO1转录物的积累，以叶柄中尤为突出。伤害可以诱导桃叶片和未成熟果实中PpACO1的表达7。Knoester指出烟草花叶病毒侵染烟草后， EFE-26，EFE-27，DS321（烟草ACO基因）表达量升高。Kim等人用H2O2处理马铃薯，可导致ACO基因的上调表8。除此之外，激素也可诱导ACO的表达，Nukui等人使用外源乙烯处理康乃馨可见雌蕊和花瓣中DC-ACO1基因转录水平升高。外源ABA处理番茄果实，可诱导ACO基因的表达 9。3.2 ACO基因的特异性表达高等植物中ACO基因的表达具有时间特异性、组织器官特异性等特点。Moeder和Barry等人研究发现臭氧处理番茄叶片，可诱导ACO基因的表达，只是各成员的表达具有时间差异性，LEACO1和LEACO3在处理1h后转录水平就开始增加，而LEACO2和LEACO4在处理5h后才有微量上调表达。乙烯诱导玫瑰Rh-ACO基因表达，Rh-ACO1主要在雌蕊和花瓣中受到诱导表达，在花托和雄蕊中不受影响，而在花萼中的表达却受到抑制10。Pogson等人发现西兰花ACO1主要在收获后的西兰花萼片和离体的黄色叶片中表达，西兰花ACO2则在收获后的花中表达。在白色三叶草叶的个体发育过程中，TRACO1在芽生长点的顶端分生组织中特异性表达；TRACO2在芽顶端分生组织、嫩叶和成熟的绿色叶片中均有表达，但在嫩叶中表达量最大；TRACO3则在衰老的叶组织中表达11。ACO基因就是通过这种特异性表达在植物的不同发育阶段和各种逆境环境中调节乙烯的生物合成，这对植物的生长发育具有重要的生理意义。4 结语从分子水平上对ACO基因的分离与鉴定使ACO的研究取得了重大的进展。ACO由多基因家族编码，它的表达受到多种发育、环境和激素信号的调控。ACO基因的克隆、表达及生物学特性的分析，对全面理解乙烯的生物学意义具有重要的参考价值。目前已成功利用基因工程技术使ACO基因在植物细胞中反义表达，从而降低内源乙烯的产量，以达到提高果实耐储性、植物的抗逆性和延长花期等作用12,13。参考文献1Yang,S.F.,Hoffman,N.E. 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