光合产物的运输与分配1.ppt

光合产物的运输与分配,龚月桦,植物在陆地上生存面临许多严峻的挑战，其中最重要的是水分的获取和保持。为了适应环境压力，植物进化出了根和叶，根把植物固定下来并吸收水分和营养，叶则吸收光能并进行气体交换。随着植物个体的增大，根和叶在空间上逐渐彼此分隔开来。这样，植物进化出长距离物质转运系统，以便植物地上部分和根之间有效交换彼此吸收和同化的产物。,木质部和韧皮部是贯穿植物全身的两个长距离运输路径。木质部把水分和矿物质从根部转运到植物地上部分。韧皮部则把光合产物从成熟叶片转运到包括根在内的植株生长和相应储藏部位。,有时，植物体内会同时存在多个需求同化物的器官，同化物向各器官运送的先后和运输量的多少是不同的，因此，形成了同化物在各器官间分配的差异。无论是同化物的运输还是分配都与植物生长及最终经济产量密切相关。,一、光合产物的运输,1.韧皮部的组成和运输的一般规律植物体内负责物质运输的是输导系统，输导系统主要由两部分组成木质部和韧皮部。叶片形成的光合产物在植物体内主要通过韧皮部进行运输。韧皮部有筛分子（sieveelment）、伴胞（companioncell）和薄壁细胞组成。,1.1成熟的筛分子是特化的用于物质转运的活细胞筛分子有质膜、线粒体、质体和光滑内质网、P蛋白没有细胞核、液泡膜、高尔基体、核糖体、微丝、微管筛分子细胞壁中有一些特征性的筛域，筛域上的孔将输导细胞互相连接起来，这些孔的直径从小于1微米到15微米不等。被子植物的筛域可以分化为筛板，筛板上的孔大于其他筛域上的孔。筛板一般位于筛分子的端壁，即单个细胞通过筛板结合在一起形成筛管的地方。,1.2受损的筛分子被封闭起来,筛分子汁液中富含糖类和其他有机分子，这些物质是植物体的能量来源，当筛分子受损时植物会阻止汁液的流失。短时的封堵机制需要有汁液蛋白的参与，而长期机制则必须用葡萄糖多聚物把筛板孔堵上。韧皮部蛋白质中参与封闭受损筛分子的主要是一类叫P蛋白的结构蛋白。大多数被子植物的筛分子均含有P蛋白，而裸子植物中却没有P蛋白。,已对P蛋白在分子水平上进行研究。例如，南瓜的P蛋白由两种主要蛋白质构成：形成纤丝的韧皮部蛋白PP1和与纤丝相连的韧皮部凝集素蛋白PP2。二者均在伴胞中合成并通过胞间连丝转运到筛分子，在筛分子中，相连形成P蛋白丝和P蛋白体。PP2在筛分子中可能用来锚定PP1蛋白。,当一个筛管被切断或打洞时，筛分子内的物质在压力的作用下就会大量流向切口处，如果没有相应的封堵机制，植物体就会丢失大量富含糖类的韧皮部汁液。然而，一旦有汁液外流，P蛋白就被定位于筛板孔，帮助封堵筛分子以阻止汁液的进一步流失。同时，筛分子细胞器（如内质网）彼此相连锚定在质膜上。,豆科植物中存在另一种封堵受损筛管的机制。这类植物中含有大的结晶蛋白体，这些蛋白体在发育过程中也不会被分散开。然而，一旦受到损伤或渗透胁迫时，蛋白体就会很快分散开并堵住筛管，该过程可逆并受钙调控。,长效解决筛管受损的办法则是在筛孔处产生胼胝质（callose，愈伤葡聚糖）。胼胝质，即-1，3-葡聚糖，由一种酶在质膜中合成并沉积于质膜和细胞壁之间。当植物受到伤害和其他胁迫，或者为休眠做准备时，就会促使在有功能活性的筛分子中合成愈伤葡聚糖，称之为受伤葡聚糖。筛孔中受伤葡聚糖的沉积可以有效地把受损的筛分子从周围完整的组织中封堵出去；一旦受损的筛分子恢复正常，胼胝质就会从这些孔中消失。,1.3伴胞辅助高度特化的筛分子,每个筛分子通常与一个或数个伴胞相连。同一个母细胞经分裂形成筛管分子和伴胞，它们之间通过大量的胞间连丝相连，这些胞间连丝很复杂，通常在伴胞一侧发生分支。大量胞间连丝的出现暗示筛分子和其伴胞在功能上密切相关，利用荧光探针证实两种细胞间的溶质可以快速交换。,筛分子通常与伴胞配对，组成筛分子伴胞（secc）复合体。由于se和cc之间有大量的胞间连丝连接，因此se-cc复合体被认为是一个功能单元。伴胞还执行其他一些重要的代谢功能，如蛋白质合成，而这一功能在筛分子分化过程中已经被抑制或丧失；此外，伴胞中线粒体还为筛分子提供能量ATP。,在源端或库端筛管周围不仅有伴胞，而且增加了许多薄壁细胞。在高等植物中这三种细胞都直接或间接地参与同化物的运输，形成统一的体系。筛管是同化物的直接运输者；伴胞保证供应其需要的代谢物和能量（ATP），并在筛管和其它细胞的交换中起媒介作用；而薄壁细胞则维持远距离运输通道中的浓度梯度。,光合同化物在韧皮部运输的总趋势是由源器官向库器官运输，即由成熟叶片向根、茎、花、果实、种子等运输。源合成并输出同化物的器官库消耗或储存同化物的器官流源库之间同化物的运输,1.4运输的一般规律,韧皮部转运的物质：水是韧皮部中含量最多的物质，碳水化合物、氨基酸、蛋白质、激素、无机离子、RNA都以溶解在水中的形式被转运。所运输同化物的主要形式是糖类，占其所运干物质的90%以上。糖的主要成分是蔗糖，其浓度高达0.3-0.9mol/L。少数植物也运输棉子糖、水苏糖、毛蕊花糖等，有的还有糖醇，如甘露醇、山梨醇等。,为什么蔗糖是韧皮部运输物质的主要形式呢？其一，Sucrose和其他一些寡糖是非还原糖，它们在化学性质上比还原糖更稳定,在运输途中不与蛋白质或其它化合物发生非酶反应,即具有所谓的“保护”特性。其二，Sucrose是双糖,由一分子葡萄糖和一分子果糖聚合而成,因而对碳的运载量相对较大;产生较高的渗透势,有利于蔗糖在筛管中迅速转运。由于蔗糖分子小、移动性大、化学性质稳定，适合于长距离的韧皮部运输。,运输方向既可向上也可向下，主要取决于源和库的相对位置。同化物从源到库的运输包括韧皮部装载、在筛管中运行、韧皮部卸出以及在库器官的吸收和累积。,2.韧皮部装载,2.1韧皮部装载和筛分子装载的定义韧皮部装载（phloemloading）是指光合产物从叶肉细胞运出至最终进入筛管伴胞（secc）复合体的整个过程，整个途径要经过叶肉细胞、维管束鞘细胞、薄壁细胞，最后进入secc复合体。而筛分子装载特指同化物从相邻细胞（主要是指薄壁细胞）进入secc复合体的过程。,当secc复合体和相邻的细胞间胞间连丝较多、存在共质体连续性时，同化物可通过胞间连丝进入se-cc复合体,筛分子装载被认为是共质的装载；胞间连丝较少或者连丝关闭，当溶质是跨过质膜先到达质外体，再进入secc复合体时，筛分子装载则称为是质外的装载。,当同化物从叶肉细胞到secc复合体的整个装载通道都是共质的，称为韧皮部的共质体装载；如果在通道中的某些位置上，缺乏胞间连丝，不论共质体的非连续性在何处，则称为韧皮部的质外体装载。根据这些定义，在某些种属中，韧皮部装载可以是质外的，而其筛分子装载可以是共质的。,2.2韧皮部装载区域的结构根据胞间连丝频率将植物的叶脉分为四种类型：类型1;类型12a;类型2a;类型2bThereareatleastthreedifferenttypesofcompanioncellsintheminorveinsofmature,exportingleaves:ordinarycompanioncells,transfercells,andintermediarycells.Allthreecelltypeshavedensecytoplasmandabundantmitochondria.Ordinarycompanioncells(普通伴胞)Transfercells(转移细胞)Intermediarycells(中间细胞),Intermediarycells,Ordinarycompanioncells,Transfercells,类型1的小叶脉的伴胞是中间细胞,可进行共质的韧皮部装载,其转运的糖中20%-80%是以棉子糖有关的化合物,当然也有蔗糖;类型2b的小叶脉中,伴胞细胞壁内突生长成为转移细胞.类型2的小叶脉可能进行质外的韧皮部装载,其转运的糖绝大多数是蔗糖.从进化的角度看，韧皮部装载的共质体途径是光合同化物转运的一种最为古老的模式，在长期进化过程中，光合同化物转运逐渐由纯共质体途径向质外体途径转化。,2.3共质体装载,2.3.1支持共质体装载的实验证据有：乔木、灌木及南瓜等许多植物叶片secc复合体和薄壁细胞间存在丰富的胞间连丝，说明它们的装载是以共质体方式进行。Schmitz等将14CO2饲喂给黄瓜叶片并进行显微放射自显影，在与叶肉细胞共质地相联的那些筛管中检测到标记的光合同化物。,对氯高汞苯磺酸（PCMBS）是跨膜运输的抑制剂，利用甘薯叶圆片、鞘蕊花的叶圆片和完整叶片进行研究，对氯高汞苯磺酸（PCMBS）都不能抑制叶脉的装载。其它研究表明在柳叶菜科、唇形科和绣球花科中都是这样，说明这些植物的同化物装载过程中未有跨越质膜，可能直接经胞间连丝到达secc复合体。南瓜叶薄壁细胞与伴胞之间有大量胞间连丝，其主要运输糖是水苏糖。Madore等检测到叶片中有水苏糖合成酶，给叶片14CO2后，伴胞和叶脉中都检测到水苏糖的存在，但质外体中却没有。说明在该植物中共质体途径是主要的装载形式.,2.3.2共质体装载的机理聚合陷阱模型：叶肉细胞内形成的蔗糖和肌醇半乳糖苷顺着其浓度梯度扩散进入一种特化的伴胞（中间细胞)，在这里合成棉子糖，最终合成水苏糖或毛蕊花糖。这些寡聚糖分子的直径超过了叶肉细胞和中间细胞的胞间连丝可运输物质大小的极限，从而防止了糖向叶肉细胞的倒流。而中间细胞和筛管分子间的分枝胞间连丝直径却大得足以让这些糖分子通过而进入筛管。,许多研究支持了聚合-陷阱模型，如从蔗糖合成水苏糖所需的酶定位在中间细胞；瓜类植物中间细胞中的棉籽糖和水苏糖浓度高，而叶肉细胞中则没有发现这两种糖。,2.4质外体装载,2.4.1支持质外体装载的实验证据有：根据装载区域的超微结构和热力学的观点，在许多植物中能进行质外体装载是确定无疑的，如玉米、蚕豆、大豆小叶脉的SECC复合体与周围薄壁细胞间无胞间连丝连接。,VanBel等观察到在豆科、菊科、十字花科、紫草科和禾本科等植物中，对氯高汞苯磺酸（PCMBS）对韧皮部装载有显著的抑制作用。这说明，这些植物的装载过程涉及了跨膜运输。Sovonick等将14C蔗糖引入甜菜叶片的质外体，后来在韧皮部检测到大量的14C蔗糖。说明自由空间参与了韧皮部装载过程。因此，甜菜叶片同化物装载是质外体途径的。,2.4.2质外体装载机理涉及三个步骤：（1）同化物从叶肉细胞共质体向质外体释放（2）在质外体运移（3）被secc复合体吸收是不是所有的叶肉细胞都可以释放蔗糖呢？不是的，释放只发生在靠近叶脉筛管的微小区域内。PCMBS会降低蔗糖的释放，而光照能刺激蔗糖的释放。释放可以通过两种途径：胞吐作用或通过质膜上的外向运输体,刚开始，人们认为蔗糖在质外体中会被细胞壁的酸性转化酶水解成果糖和葡萄糖，然后才被secc复合体吸收。后来，给甜菜叶片饲喂14CSuc和14CGlu时，发现叶脉只累积Suc，不累积Glu，因此韧皮部装载累积的是蔗糖，现在认为Suc在质外体不被水解。,大多数情况下，secc复合体对Sucrose的吸收是由载体介导的，消耗ATP的主动过程：首先在质膜ATP酶的作用下，水解ATP并产生跨膜的质子梯度，然后由跨膜质子梯度的驱动，在蔗糖质子共运输体的作用下，H+和蔗糖一起被运进secc复合体。,在甜菜中，叶肉的渗透势大约为-1.3MPa，而筛分子和伴胞中的渗透势约为-3.0MPa。表明蔗糖是逆化学势梯度主动运输的。DNP或缺O2处理，可抑制SECC复合体对Sucrose的吸收,这支持质外体途径的蔗糖装载是一个需能的主动过程。与此相反，其他代谢物（如有机酸和激素）这可能被动地进入筛分子。,2.4.3许多实验结果支持韧皮部装载蔗糖-H+同向转运体的运行：用免疫学技术定位H+ATP酶，发现它存在于伴胞的质膜（拟南芥）和传递细胞中（蚕豆）。在传递细胞中，H+ATP酶主要集中在质膜面向维管束鞘和韧皮部薄壁细胞的折叠处。在拟南芥中已经克隆得到一种蔗糖质子共运输体SUC2,这个载体在伴胞的定位与H+-ATPase在伴胞的分布有关;因此H+ATP酶为蔗糖吸收提供了驱动力。抑制转运体的活性就会抑制源叶的运输。用另一种蔗糖H+同向转运体SUT1的反义DNA转化马铃薯，发现随着转运体的活性降低，根、块茎生长受到抑制，同时淀粉和脂类物质在源叶中累积。,2.4.4目前已经克隆了几个定位在韧皮部的蔗糖H+同向转运体,在烟草,马铃薯和蕃茄中发现的蔗糖-质子共运输体SUT1,SUT2,SUT4,这些载体是定位于筛管分子的质膜。对SUT1的研究表明，筛分子膜中的同向转运体的mRNA是在伴胞中合成的，这与筛分子中没有细胞核的事实相一致。同时在成熟的筛分子中也没有核糖体，因此同向转运体的蛋白质也很可能是在伴胞中合成的。在拟南芥和车前草的伴胞膜上发现的蔗糖H+同向转运体SUC2。,SUT1为高亲和力的蔗糖/H+同向转运蛋白,SUT4则为低亲和力的转运蛋白,SUT2在酵母中的活性很弱,只是表现与酵母糖传感器RGT2和SNF3相似的特性。这3种转运蛋白位于相同的无核的筛分子中。SUT1和SUT2有形成同源寡聚体(homooligomer)的潜力。大车前中PmSUC2主要在源叶的细叶脉中表达,而PmSUC1则在幼小胚珠中表达,也在叶维管束中表达。Stadler等的研究结果表明,PmSUC2定位于伴胞,负责韧皮部的装载,而PmSUC1则定位于正在发育的种子含淀粉的胚乳细胞中以及叶柄韧皮部的筛分子中。,2.4.5蔗糖装载的调控,目前关于蔗糖通过蔗糖H+同向转运体从质外体到筛分子装载的调节机制还不十分清楚。其可能的调节因素如下：溶质势，或者更可能是筛分子的膨压。装载过程中，筛分子的膨压降低到某一阈值以下时就会导致补偿性的提高。虽然有许多文献报道了膨压可调节膜的运输，实际上很少有实验证明这种调控。质外体中的蔗糖浓度。质外体高浓度的蔗糖会增加韧皮部装载。尽管几乎没有测量过装载位点质外体蔗糖的浓度，但许多研究者已经报道，输出与源叶中蔗糖浓度或者与光合速率是直接相关联的。,同向转运体蛋白分子的可用数量。有数据表明，甜菜源叶中蔗糖水平可调节叶中蔗糖H+同向转运体分子（SUT1）的浓度，而后者又可调节装载。通过蒸腾流饲喂蔗糖，发现甜菜叶中的SUT1转录下降。SUT1蛋白及其mRNA快速降解，转录的降低也导致SUT1蛋白的减少。目前已经证实蛋白质磷酸化在这些调节过程中发挥着重要作用。SUT1转运体mRNA和蛋白质水平受昼夜的调节，15小时暗处理后的表达水平要低于光处理的。,在胡萝卜中,DcSUT1和DcSUT2所处的位置也不同。DcSUT1只存在于植株的绿色部分,在源叶片的筛板上高度表达,并受昼夜性调节,因而在源叶片的韧皮部装载中具有重要作用。DcSUT2则主要存在于库器官,表达不受昼夜调节,可能在蔗糖卸载到储藏薄壁细胞中起作用。,另外，K+是韧皮部主要的阳离子，K+可以刺激蔗糖的韧皮部装载。有人假设韧皮部中发现的钾通道可以补偿电荷。最近，鉴定了一个受源库调节的，糖诱导的K+通道，它对筛管质膜的电特性起决定性的影响，可能通过一个电压依赖的过程控制糖的跨膜转运。,在负责蔗糖转运的过程中,位于相同筛分子的蔗糖转运蛋白能相互作用。活体中功能相异的蔗糖转运蛋白之间的相互作用表明膜能形成寡聚体结构,这对于蔗糖转运的调节具有重大功能意义。糖转运蛋白除了转运功能外,还具有糖传感(sugarsensing)功能,为细胞提供有关糖的信息。蔗糖和质子共运输的化学准量关系随蔗糖浓度的变化而变化,2.5有一些植物的光合同化物韧皮部装载是多途徑的如西葫芦，它的叶片支脉的伴胞既有中间细胞，也有普通型的伴胞，推测前者装载蔗糖是通过共质体途径，而后者则是通过质外体途径。总之，这两种途径和相对比例因植物种类而异，且随着叶片的发育阶段、昼夜和季节的变化以及生态条件的变化而变化。,无论是通过共质的还是质外的装载，一旦进入筛分子，蔗糖和其他溶质被转运离开源，这一过程被叫做输出（export），从维管系统到库的转运称为长距离运输。,3.同化物在运输途徑中的运行同化物在韧皮部中运输时韧皮部横截面积和源与库路径长度是运输能力的主要决定因子。筛管的数量、大小及相互连接方式和流转能力等会影响同化物从源端到库端的输送状况，并进一步影响产量。,3.1当维管束的通道能力达到饱和时，便可限制库器官的生长速度王群瑛等通过对玉米不同叶位叶片的解剖结构观察，发现穗位叶不仅在光合性能上优于其它叶片，而其维管束系统在数目、最大横截面积上均明显优于其它部位的叶片。古世禄认为谷子维管束发育与穗的接受能力、胚的生长力、颖花数目有关，穗数增多会削弱维管束的发育，从而限制光合同化物的运输能力。,郭晓华研究表明，玉米果穗顶部穗轴维管束横截面积及导管的大小远比中部为低，认为这可能是导致顶部籽粒生长势减弱而引发败育的原因，即所谓的“输导限制”。简令成观察到小麦穗轴中部细胞具有较多的胞间连丝通道，并有较高的ATP酶活性，有利于物质运往中部小穗。从而使这些小穗优先和较好发育，而穗轴下部和上部的运输通道不甚发达，致使光合同化物运入此处受到阻碍，因而使小穗发育不良。这些结果表明，同化物的运输能力有时也会成为限制产量的因素。当然，在一般情况下韧皮部有相当富余的运输能力，并不限制运输流。,3.2同化物在筛管中长距离运输的动力压力流动学说(集体流动假说),溶质扩散实在太慢了，无法解释韧皮部中溶质的快速运动：韧皮部转运平均速度为1m/h；而扩散速率则是每32年扩散1米。1930年德国的明希提出压力流动模型：筛分子中溶液的流动是由源和库之间渗透造成的压力势梯度驱动的，这种梯度的确立归根结底是由于源端韧皮部装载和库端韧皮部卸出造成的。,(压力流动模型),在源端，能量驱动的韧皮部装载导致筛分子糖的累积，从而产生了一个低的溶质势，进而引起水势的陡然下降。因而水分进入筛分子引起膨压增加。在转运途径的接收末端，韧皮部卸载导致筛分子糖浓度变低，从而在库端的筛分子中产生了一个较高的溶质势，水势也较高。水分就会离开韧皮部进入木质部，引起筛分子中膨压的降低。这样在源端和库端就存在压力梯度，筛管中溶液（溶质和水一起）就从源端转运到了库端。,韧皮部汁液移动不是通过渗透而是由集流引起的。也就是说，从一个筛管转运到另一个筛管不需要穿过任何膜，溶质移动的速率与水分子相同。由于这种原因，从具有较低水势的源器官到具有较高水势的库器官可能发生集流而并不违背热力学原理，因为这种运动是集流而非渗透作用。,韧皮部集流转运模型中一些重要的推测：,筛板孔一定不能堵塞在单一筛分子中，双向运输是不可能的，同一管道中溶液在任一时间只能朝一个方向流动物质沿着路径转运并不需要太多能量源中筛分子内的膨压一定比库中的高，压力差足够大可以克服传递途径中的阻力，使之能以观察到的速度流动,已有的证据证实了这些推测符合集流和压力流动假说：,筛板孔是开放的孔道,快速冷冻固定技术制备的筛分子的电镜图片,利用激光共聚焦扫描显微镜可直观地检测活体筛分子的物质转运A，在一个成熟叶子的主脉下部切开两个与表皮平行的薄片窗口，露出韧皮部组织。激光共聚焦扫描显微镜的物镜被置于叶基部窗口，在顶端窗口施加一种可在韧皮部移动的荧光探针。B，对豆类植物韧皮部组织进行双染色C，只应用荧光探针局部标记豆类植物韧皮部组织的膜,完整蚕豆叶中具活性功能的筛分子的转运,荧光染料表明筛板中筛孔未堵塞。,红标记细胞膜,绿被染色的转运物质表明筛分子具有活性和功能。,单个筛分子中不存在双向运输,用两种不同放射性示踪剂标记两个上下相邻的源叶来研究双向运输，每个叶片各标记一种示踪剂，并在两个源之间设定一个点来检测两种示踪剂的出现。双向运输通常在茎中不同维管束的筛分子中可以检测到。在叶柄同一维管束相邻筛分子中也发现了双向运输，这可能是叶正经历库到源的转变，通过叶柄同时输入和输出光合产物。然而，没有证据表明单个的筛分子中同时发生双向运输。,韧皮部途径耗能少,耐受周期性低温的植物，如甜菜，如果快速冷冻处理源叶的一小段叶柄至1，并不能持续抑制叶片中物质的输出，而是在短时期的抑制后，转运会慢慢恢复到对照的速度。急速冷冻降低叶柄的呼吸速率，使合成与消耗ATP降低约90%，但此时转运却可恢复正常，说明这些植物韧皮部转运所需能量较少，与集流相符合。,压力势梯度足以驱动韧皮部汁液的集流,筛分子中的膨压可以用水势和溶质势来计算（p=w-s）用水势、溶质势计算得到的源库之间的压力差为0.41MPa，压力流驱动转运所需的压力差为0.12-0.46MPa，因此，所观察到的压力差显然足以驱动集流通过韧皮部。最有效的方法是用测微气压计封住正渗出的蚜虫吻刺，因为蚜虫吻刺仅刺入单一的筛分子，并且围绕蚜虫吻刺的质膜封闭很好，这样可以得到精确的数据。用该技术测得的筛分子的膨压表明，源端的压力高于库端。,这些实验和数据符合被子植物韧皮部执行的集流运输。压力流动学说存在的问题：裸子植物中的转运是否采用了不同的机制？,3.3同化物在运输过程中并不是一刻不停地向库运输，可能会将部分同化物暂时储存，在需要时再向库调运。,缓冲库：茎，鞘茎部储存碳水化合物的形式有葡萄糖、果糖、蔗糖，果聚糖和淀粉等，但以果聚糖为主。这些储藏的碳水化合物通常被作为总的非结构性碳水化合物（TNC）或水溶性碳水化合物（WSC）。大约15%的被子植物含有果聚糖。这些植物大多分布在有明显季节性气候变化的地区，包括温带禾谷类植物和牧草，百合科（如洋葱、韭菜、葱、蒜）和菊科（如向日葵、菊芋）。,果聚糖（fructan）是蔗糖与一个或多个（几几十个）果糖连接而成的聚合物，多是水溶性的，非还原性多糖。果聚糖合成的第一步（也可能是最重要的一步）由蔗糖：蔗糖果糖基转移酶（Surose:sucrosefructosyltransferase,SST）催化，蔗糖是果聚糖合成的前体，诱导果聚糖合成需要蔗糖达到一定的阈值水平。果聚糖的降解是由果聚糖外水解酶（FEH）催化的。一般在花期或花后2周内，温带禾谷类作物（小麦、黑麦草）的茎秆中的果聚糖累积达最大值，此后下降。,4.韧皮部卸出(phloemunloading),韧皮部卸出是指光合同化物从韧皮部输出并被邻近的生长或贮藏组织吸收的过程。卸出可以发生在植株的许多部位，如新生的嫩叶、幼根、贮藏块根、块茎和种子等。韧皮部卸出包括了同化物离开secc复合体（筛分子卸出）以及随后的短距离运输（即筛分子后运输）。,从韧皮部卸出的全过程来看，将之分为两条途径：共质体卸出和质外体卸出。,Pathwaysforphloemunloadingandshort-distancetransport,质外体卸出：从质外体步骤发生的位点可将质外体卸出分为两种类型：类型1：筛分子卸载是质外的，短距离运输是共质的类型2：筛分子卸出是共质的，短距离运输是质外的其中类型2最为常见，最典型的是存在于发育的种子中。发育中的种子必须一个质外体步骤，这是因为母体组织和胚组织中没有共质连接。糖通过共质体途径离开筛分子，并在远离筛分子-伴胞复合体的某一点从共质体转为质外体途径。,4.1共质体卸出:,共质体卸出:指同化物通过胞间连丝沿浓度梯度从secc复合体释放至库细胞的代谢部位。支持共质体卸出的实验证据有：Partrick研究表明，如果用某种处理使正在生长的叶片或根系韧皮部周围细胞的质壁分离，会抑制溶质从韧皮部卸出和运输，因为发生壁分离时胞间连丝变形。将对氯高汞苯磺酸（PCMBS）注入某些库的质外体时（如生长的叶片），对同化物的输入并无影响，说明在此处同化物离开韧皮部未经跨膜运输，是共质体途径。,Oparka等用膜不透过染料羧基荧光素（CF）观察拟南芥根尖韧皮部卸出，证明CF是通过胞间连丝运输的。这些说明在幼嫩的叶和根中卸出是共质的，光合同化物通过胞间连丝沿浓度梯度从secc复合体释放到库细胞的代谢区。库细胞通过聚合形式（贮存库）或通过将同化物用于生长（利用库）来维持浓度梯度。一般而言，在营养器官中，如正在生长的叶片和根系，卸出的共质体途径占优势。溶液集流，溶质扩散,4.2质外体卸出,某些植物组织的secc复合体至库细胞间的某些部位不存在胞间连丝，同化物只能先进入质外体空间，然后再进入库细胞。如甜菜的块根、甘蔗的茎、种子、果实等。根据蔗糖进入质外体后的命运，又可将同化物韧皮部卸出的质外体途径分成两条子途径或两种类型：,类型1：蔗糖从secc复合体排入质外体空间，然后被酸性转化酶水解，生成的已糖再被库细胞吸收。在甘蔗中蔗糖的卸出包括了相当复杂的步骤：（1）蔗糖从secc卸出进入质外体；（2）蔗糖被胞壁转化酶水解；（3）己糖累积进入贮存薄壁细胞的细胞质；（4）蔗糖在液泡中合成。另外，玉米和高粱籽粒中卸出机理与此相似。,类型2：同化物从secc复合体排出进入质外体，然后被接受细胞累积，但蔗糖未被水解。小麦籽粒、豆科种子、甜菜主根和菜豆茎中同化物都是以这种方式卸出。这两种类型的质外体卸出有时可相互转化。如豆科籽粒，在发育的前期，胞外转化酶维持了跨膜浓度梯度，推动蔗糖进入质外体；但在贮存期开始时，胞外转化酶活性消失。,质外体的己糖或蔗糖被库细胞吸收是通过己糖质子共运输体或蔗糖质子共运输体介导的。,共质体卸出和质外体卸出并非互相排斥，有时可相互补充协调。例如菜豆的茎秆中，同化物通过质外体途径卸出，一旦膜运输饱和了，在质外体空间里导致较高的蔗糖浓度时，共质体卸出就会成为主要的途径。在番茄果实发育早期同化物的韧皮部后运输是以共质体途径为主,而在后期则形成共质体隔离,改为质外体途径运输。马铃薯在块茎膨大早期,同化物以共质体卸载为主;块茎形成之后,则改为质外体途径。总之，卸出的途径和机理因植物和库器官而有所不同，也会随发育阶段和生理状态变化。,5.韧皮部装载和卸出的调控,5.1共质体运输的调控在装载和卸出部位，共质体运输的实质就是通过胞间连丝运输.单位输导面积上胞间连丝的数目以及胞间连丝的超微结构受发育调节，其调节是长期效应。短期的调节可通过胞间连丝传导力或同化物浓度、膨压的变化来实现。胞间连丝传导力和超微结构不是固定不变的，而要受生理条件、发育阶段和环境条件的影响。胞内Ca2+和磷酸肌醇水平上升可诱导胞间连丝通道关闭，降低对物质的可透性。ABA和IAA参与了此过程中有关的调节。,跨细胞间膨压的变化对胞间连丝传导力起直接作用，而它又是通过钙系统起作用。低温和水分胁迫也会降低胞间连丝的传导力。0.35M甘露醇处理碗豆幼苗根尖，短时间内使14C标记的蔗糖的卸出增加300%多，这可能由于库细胞膨压降低而扩大了胞间连丝的瓶颈区横截面。同化物供应不足（去叶或遮荫）也会使胞间连丝由开放态转变为封闭态，传导力下降。可能因为蔗糖供应反馈调控了某些调节胞间连丝传导力的蛋白的gene表达。,物质通过胞间连丝通道的驱动力是两端的浓度差。在库器官中，库细胞接纳和转化同化物的能力直接决定了胞间连丝两侧同化物的浓度差或压力差。因此，库细胞中催化蔗糖降解的酶（转化酶或蔗糖合成酶）活性与同化物进入库细胞的速度存在密切关系。当然这些酶gene的表达也受蔗糖供应的反馈调控。在源器官中，温度和胁迫会影响中间细胞的代谢能力和形成寡聚糖的能力，也就影响同化物的韧皮部装载。终产物累积过多会抑制水苏糖合成酶活性，这将阻碍中间细胞和筛分子对糖的累积，影响韧皮部装载。,5.2质外体运输的调控,蔗糖跨膜运输的机理是：ATP在质膜ATP酶的作用下水解，产生的能量将H+泵到细胞外，产生跨膜的质子梯度，还产生膜电位差，因此产生了质子动力势，在它的驱动下，通过SucH+共运输体的作用，将蔗糖和H+一起运进细胞。因此，蔗糖的跨膜运输是一个主动过程，需要ATP的供应以及韧皮部汁液的pH值比质外体高，secc复合体的质膜保持一定的膜电势。那么，凡是影响这些条件的因素都可以影响光合同化物的质外体运输。,无机盐，如KCl、MgCl2，可因为改变膜电势而降低蔗糖的跨膜转运。另外，细胞膜上存在着离子通道来调节这些离子的内运或外运，激素也可以通过影响由第二信使调节的K+和Ca2+离子通道活性而改变膜电势，从而影响同化物的跨膜运输。凡是能影响ATPase活性的因素，都可影响secc复合体对同化物的质外体装载和库细胞对同化物的质外体吸收。比如，植物激素IAA、GA3，激动素等就可促进ATPase活性，而ABA则可以抑制其活性。,低温或使用呼吸抑制剂，如DNP，也可通过降低ATP供应而抑制质外体的装载和卸出。糖-质子共运输体的活性受膨压调节，所以筛管内膨压的改变对韧皮部的质外体装载和卸出也有影响。而这还是通过调节ATPase活性来实现。另外，质膜上活性运输体也是激素调节质外体装卸中明显的对象，如对转运体蛋白水平的影响。许多基因都对糖的匮乏和过量做出反应。通过木质部给甜菜源叶施加外源蔗糖，蔗糖-H+同向转运体的mRNA会减少；这种降低伴随着从叶中分离的质膜小泡中的同向转运体失活。,当进行质外体装载和卸出部位的伴胞特化为转移细胞时，细胞壁内突生长，扩大了质膜的表面积，运输糖的载体数目增多，有利于质外体的装载和卸出。在种子库中，母体和子代之间往往缺乏胞间连丝，所以同化物要卸出至质外体，再被胚乳或子叶吸收。胚乳或子叶转化同化物的酶活性越强（如分解蔗糖的酶：转化酶、蔗糖合成酶；合成淀粉的酶：ADPG焦磷酸化酶、淀粉合成酶、分支酶等）,质外体空间中同化物的浓度越低，卸出便会加速。激素也可能通过调节蔗糖代谢酶的活性，因而调节库端的卸出。,6韧皮部还是信号分子的运输通道,韧皮部除了在光合产物长距离运输中起主要功能外，同时它还是信号分子从机体某一个部分运输到另一个部分的通道。这种长距离信号运输调整了源和库的活性，并调节植物的生长发育。源和库之间的信号可能是物理的也可能是化学的。物理信号，如膨压的变化，可以通过筛分子的内部连接系统进行快速传递。在韧皮部汁液中发现了传统意义上的化学信号（如蛋白质和激素），最近在韧皮部还发现了mRNA和小RNA这些新的信号分子。转运的碳水化合物本身也可能作为信号。,6.1膨压和化学信号调节源和库的活性,膨压可能再调节源和库活性中起作用。例如，在库组织中糖利用较快的情况下，若韧皮部卸出加快，库中筛分子的膨压就将减小，而这种减小会被传递到源。如果源中筛分子的膨压部分控制装载，那么相应于库的这个信号，装载将会提高。同样，当库中的卸出变慢时则会出现相反的反应。有数据表明，细胞的膨压还可以修饰质膜上H+-ATPase的活性，从而改变转运速率。,化学信使在传达植物一个器官到另一个器官的状况中也具有重要的作用。这些化学信使包括植物激素和营养物质，如钾、磷酸盐，甚至转运的糖本身。茎产生的生长调节物质（如生长素）可通过韧皮部被快速转运到根部，根产生的细胞分裂素通过木质部运输到幼芽。GA和ABA也是通过维管系统在植物中运输。植物激素在调节源和库间的关系中起作用，它们通过控制库生长、叶子衰老和其他发育过程部分地影响了光合产物的运输分配。,6.2蛋白质和RNA也可作为信号分子,人们很久以前就知道，病毒能以蛋白质核酸复合体或者以完整的病毒颗粒形式在韧皮部运输。最近，在韧皮部汁液中发现了内源RNA分子和蛋白质，这其中至少有一部分可以作为信号分子。PRms蛋白是一个与病原菌相关的蛋白质，它参与了玉米对真菌病原体的防御反应。在转基因烟草植物中，用一个抗PRms的抗体发现该蛋白质定位在伴胞和筛分子之间的胞间连丝中。由于PRms蛋白存在于烟草韧皮部分泌物中并可穿过嫁接部位运转，表明该蛋白也进入并在韧皮部中运输。,韧皮部运输的RNA包括内源的mRNA,小RNA,还可以运输外源大分子如类病毒,RNA病毒.小RNA是在韧皮部汁液中发现的具有真正调节作用的RNA，他们的含量可以对生长条件和病毒感染做出应答反应。小RNA似乎满足了信号分子的所有要求，能进入筛分子并在韧皮部运输到库组织，并在库组织触发了功能性的变化。,RNA在韧皮部运输能引起库中明显的变化。FLOWERLOCUST(FT)mRNA似乎是刺激开花的重要成分，在诱导开花条件下，它从叶移动到茎顶端。一个赤霉素反应调节子（GAI）mRNA被定位在南瓜筛分子和伴胞中，并且存在于韧皮部汁液中。若将该调节子基因突变后转化番茄，发现转基因植株矮小且呈暗绿色。突变的调节子mRNA在转基因植株中定位于筛分子，而且这些mRNA可以通过嫁接部位进入野生型番茄的接穗，并在顶端组织被卸出。结果，在野生型新生长的接穗中产生突变体表型。,7.研究韧皮部同化物运输的方法,7.1.收集韧皮部汁液,大多数情况下蚜虫吻刺中液体的流速和筛管的正常流速相近,7.2.放射性同位素示踪技术,7.3荧光染料示踪法,用荧光染料研究植物体内物质运输已有近70年的历史。1933年Schumacher首先观察到植物体内钾荧光素的移动，发现这种染料不但能进入细胞，而且能在韧皮部中进行长距离运输。随后有许多学者用荧光染料示踪植物体内的共质体和质外体运输。,用于荧光标记的染料具有对细胞无毒、化学惰性、量子产率高等特性。目前荧光染料多以游离的、酯化的或葡聚糖荧光探针形式存在，结合激光扫描共聚焦显微技术广泛应用于医学、微生物学、植物学的研究中，大大促进了同化物的韧皮部卸载以及物质在细胞间运输的研究。羧基荧光素(CF)是一个比较理想的共质体标记物，引入韧皮部不需要专门的设备，可以弱酸或酯类形式(CFDA)装载。目前CF广泛应用于根、茎、叶、果实、种子中。,7.4新技术的应用,(1)共聚焦激光扫描显微镜（confocallaserscanningmicroscope）；,(2)空种皮杯技术：A用解剖刀将部分豆荚壳切除开一个“窗口”B切除种子的一半（远离脐端）C将另一半种子内的胚组织去除，仅留下种皮组织和母体相连部分，制成空种皮杯。D在空种皮杯内放入4%琼脂，收集空种皮中的分泌物。实验表明，短时间内，空种皮杯内韧皮部汁液的收集量与种子实际生长量相仿，借此用以研究同化物韧皮部卸出的机理和调节。,(3)微注射法(4)用分子生物学技术将编码绿色荧光蛋白的基因导入病毒基因组内，它便可在病毒体内表达。当病毒侵入植物在韧皮部运输时，可发出荧光，用检测器检测荧光的运移实质可代表病毒蛋白在韧皮部中的运输。,目前的研究重点在于从分子水平上阐明运输机理，如各种糖运输体，氨基酸运输体等基因的鉴定、克隆及调控机制。但是由于方法的原因，人们对液泡的内向运输体、外向运输体以及细胞的外流机理都还缺乏了解。最近一个较大的进展是建立了单细胞汁液的收集方法，使得人们能够确定单个细胞内的代谢物质并将代谢物与基因表达的水平相联系。然而，还没有办法对代谢物的亚细胞分布提供信息。,二.同化物在库器官的转化,1.蔗糖的代谢1.1降解代谢（1）转化酶催化的反应蔗糖+H2O葡萄糖+果糖根据催化反应所需的最适pH，可将转化酶进一步分成两种，一种称为酸性转化酶，最适pH45.5，主要分布在液泡和质外体细胞壁中。另一类转化酶称为碱性或中性转化酶，其最适pH78，主要分布于细胞质中。（2）蔗糖合成酶催化的可逆反应UDPG+果糖蔗糖+UDP该酶位于细胞质中，在分解蔗糖方向的Km值较高（30-150mmol.L-1）细胞中高的蔗糖浓度有利于反应向分解方向进行。,蔗糖进入库细胞后由哪一种酶催化降解，取决于植物的种类和库的特性，但二者并不相互排斥。例如甘蔗茎中蔗糖由酸性转化酶水解，而在番茄果实、小麦籽粒、马铃薯块茎中，蔗糖合成酶是主要的催化Sucrose降解的酶。蔗糖降解后形成的葡萄糖和果糖需在激酶的作用下先经过磷酸化，形成G6P或G1P或F6P，然后再参与进一步的代谢。,1.2合成代谢,以蔗糖为最终贮藏物的植物和器官，如甘蔗茎、甜菜块根等都能进行蔗糖的合成反应。在这些植物的库器官中运输来的蔗糖可通过“降解再合成”的方式合成蔗糖，也就是说，由韧皮部运来的蔗糖在转化酶或蔗糖合成酶的作用下降解，然后，再在蔗糖磷酸合成酶的作用下合成蔗糖。,据检测，这些植物的库器官中具有合成蔗糖的酶类，如：蔗糖磷酸合成酶（SPS）、6-磷酸蔗糖酯酶（SPP）等，这些酶的调节机理与源器官中的类似。例如：甘蔗茎中：a：蔗糖从secc复合体卸出至质外体后，b：被胞壁酸性转化酶水解成已糖，c：贮存薄壁细胞吸收已糖进入细胞质，d：然后已糖进入液泡，在液泡中合成蔗糖。,2.淀粉的合成,2.1淀粉合成途徑有两条：(1)淀粉磷酸化酶途徑淀粉引子（n）+1-P-G淀粉（n+1）+Pi分解最适PH是7.07.5，合成最适PH是5.16.8，在植物体内淀粉磷酸化酶主要催化淀粉降解。（2）ADPG淀粉合成酶途徑：关键酶有三个:一个是ADPG焦磷酸化酶，它催化的反应是：G1P+ATPADPG+PPi第二关键酶是淀粉合成酶，催化的反应是：引物（n）+ADPG淀粉（n+1）+ADP,现在人们发现淀粉合成酶有两种形式；一种位于淀粉体的可溶部分，称为可溶性淀粉合成酶；另一种是和淀粉粒结合的，称为不溶性或结合态淀粉合成酶。第三个关键酶是分支酶，又称为Q酶，它催化直链淀粉形成支链淀粉。,2.2库细胞中淀粉合成的过程,库细胞中Suc分解形成的磷酸己糖可通过造粉体膜上己糖载体进入造粉体，或者通过糖酵解途径形成TP，再由“Pi转运器”进入造粉体，通过醛缩酶和FBPase的作用形成F6P，造粉体内的磷酸己糖最后都转变成G-1-P，在ADPG焦砱酸化酶的作用下形成ADPG，ADPG则在淀粉合成酶和分支酶的作用下最终合成淀粉。近年实验结果显示，ADPG可以先在细胞质中合成，然后通过造粉体膜上的ADPG载体进入淀粉体。,G1P、G6P、TP或ADPG均可转入淀粉体，但转入哪一种物质依植物种类而定。禾谷类植物的胚乳细胞中有相当量的ADPG是在胞质中合成的，然后通过淀粉体膜上的ADPG转运器运进淀粉体。在大麦胚乳中，从蔗糖到淀粉的代谢被UDPG焦磷酸化酶和ADPG焦磷酸化酶偶联起来。,在光合组织中，ADPG焦磷酸化酶受3-PGA/Pi调节，但大麦种子和小麦胚乳中此酶对3-PGA/Pi调节不敏感。加热处理（3040），小麦籽粒胚乳中可溶性淀粉合成酶活性下降与淀粉合成减慢高度相关，因此认为可溶性淀粉合成酶在小麦体内控制淀粉累积中起着主要作用。而水稻胚乳中ADPG焦磷酸化酶和Q酶在淀粉的生物合成中起了关键作用。,3.糖水平对碳水化合物代谢的调控,近年来的研究表明，在高等植物中，糖不仅是能量来源和结构物质，而且在信号传导中具有类似激素的初级信使作用，是能被植物细胞感知，进而调控基因表达和影响生理生化进程的强有力的信号分子，在植物的生长、发育、成熟和衰老等许多过程中具调控作用。糖信号分子的感知和信号传导可在毫摩尔水平进行。大量事实证明植物体内存在多重糖信号感知机制：分别为己糖激酶信号系统，依赖于己糖但不依赖于己糖激酶的信号系统，依赖膜的信号系统和特殊的蔗糖信号系统(包括蔗糖载体的信号途径).,现在人们认为蔗糖不仅作为营养物质起作用，而且会通过影响糖感应系统，启动基因表达的改变。蔗糖在库细胞中的代谢不仅决定了蔗糖在库细胞中的去向，而且本身也受源同化物供应的影响，糖水平的高低对催化碳水化合物代谢的酶的活性具有重要调节作用，进而对光合作用、同化物运输发挥调节作用，这种调节不仅是通过影响酶活性而起作用，而且对编码这些酶蛋白的基因的表达也有影响。,一般来说，蔗糖不足可促进编码与光合作用，贮藏物动员和外运等有关的基因的表达。如Rubisco、叶绿素a/b结合蛋白、PEP羧化酶、TP转运蛋白、淀粉酶、质体淀粉磷酸化酶、蔗糖磷酸合成酶（SPS）等；而蔗糖的富足则促进了与贮藏、利用碳水化合物有关的基因的表达。如：ADPG焦磷酸化酶、淀粉合成酶、分支酶、转化酶、蔗糖合成酶、硝酸还原酶等。因此，对糖响应的基因表达的改变在植物体内资源的分配以及对环境的适应中具有重要作用。科克（Koch）将受高糖水平促进的基因称为“享受基因”（feastgenes），而将受高糖水平抑制，即低糖水平促进的基因称为“饥饿基因”（faminegenes）。,受糖水平调控的催化碳水化合物代谢的基因酶,三.同化物的分配,有时，植物体内会同时存在多个需求同化物的库器官，同化物向各库器官运送的先后和运输量的多少是不同的，因此形成了同化物在各器官间分配的差异。1.影响同化物分配的内在因素同化物的分配实际上是植物体本身源、流、库相互协调的结果，因此，在源流库体系中任何一个因子的变化都会影响同化物的分配，从而影响经济产量。,1.1源对同化物分配的影响源是指制造、输出有机物的部位或器官，在作物中主要指成熟叶片。源强度是指源器官生产并输出同化物的能力。源强度和库强度相对应，源强度可以表达为源大小和源活性的乘积，源大小通常用叶面积衡量，而源活性可以从以下几方面来考虑：（1）光合速率（2）磷酸丙糖从叶绿体向细胞质的输出速率（3）叶肉细胞蔗糖的合成速率SPS和FBPase是蔗糖合成的两个主要调节酶，因此，这两个酶的活性可代表蔗糖合成的速率，也是最能代表源活性（或源强度）的指标。,源强度会影响同化物分配给库的数量，但一般不影响同化物在库之间的分配比例。从长远来看，源强度的提高有利于植物的生长和库器官的发育，导致库器官的数目增加。这是对光合同化物分配的间接效应，而不是直接效应。Farrar将其解释为源强度对光合同化物分配进行粗调控而不是细调控。,1.2流对同化物分配的影响韧皮部的横截面积和源库间的距离是同化物运输的主要决定因子，因此，推测源库间的距离和叶片之间维管束连接的韧皮部的发育可能对同化物的分配产生显著的影响。然而,在大多数情况下,韧皮部的运输对同化物的分配无显著的影响.,1.3库对同化物分配的影响,同化物的分配主要决定于库本身的特性库是指消耗或贮存同化物的器官，如根、块茎、花、果实、种子等。一般用库强度（SinkStrength）和库优先权（SinkPriority）来描述库的特性。(1)库强度（SinkStrength)Wilson将库强度定义为一个器官吸引同化物的竞争能力。,由于库强度会受到同化物供应能力以及环境因素等的影响，因此库强度也可被更精确地描述为同化物运入库区韧皮部并运进库细胞的潜在能力，可以用库的潜在生长速度来度量，也就是指同化物供应不受限制时的生长速度。库强度库容量*库活力*库容量库容量是指能积累光合同化物的最大空间，它是同化物输入库器官的物理限制。,*库活力库活力是库的代谢活性，指单位生物量的库组织吸收同化产物的速率，它反映的是同化物输入库器官的生理限制性因素。库活力的定量比较复杂，一般用库相对生长速率（RGR）表示。RGR即是指单位库在单位时间内光合同化物积累量或干重的增加量。这是最简单的定量方法。库活力的改变是很复杂的，因为库组织中的各种活性都可潜在限制库的吸收速率。这些活性包括筛分子的卸出、细胞壁内的代谢、从质外体的吸收以及生长或储藏中利用光合产物的代谢过程。,近年来的研究结果表明，催化库中蔗糖和淀粉代谢的酶活性与库器官同化物累积速率密切相关，并因此提出用酶活性的高低来度量库活力或库强度。在胡萝卜中，当根中的细胞壁转化酶活性由于反义抑制而降低时，胡萝卜中蔗糖的分配也发生了改变。向着根部的分配减少了，同时也降低了主根的发育。,(2)库优先权,优先权描述的是库器官需求同化物的优先次序，有些库器官（如果实、种子）存在有优势，比其他器官（如花）在同化物供应减少时遭受的